JP7413020B2 - Alkali metal-sulfur secondary battery including protected sulfur cathode and manufacturing method - Google Patents
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Description
関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に援用する、どちらも2017年2月23日に出願された米国特許出願第15/440,151号明細書に対する優先権を主張する。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims priority to U.S. patent application Ser. No. 15/440,151, both filed February 23, 2017, which is hereby incorporated by reference.
本発明は、リチウム-硫黄電池、ナトリウム-硫黄電池、及びカリウム-硫黄電池を含む、二次又は充電式アルカリ金属-硫黄電池における特異的なカソード組成及び構造を提供する。リチウム-硫黄電池は、リチウム金属-硫黄電池(アノード活物質としてリチウム金属、及びカソード活物質として硫黄を有する)並びにリチウムイオン-硫黄電池(例えば、アノード活物質としてSi又は黒鉛、及びカソード活物質として硫黄)を含み得る。ナトリウム-硫黄電池は、ナトリウム金属-硫黄電池(アノード活物質としてナトリウム金属、及びカソード活物質として硫黄を有する)並びにナトリウムイオン-硫黄電池(例えば、アノード活物質として硬質炭素、及びカソード活物質として硫黄)を含み得る。 The present invention provides unique cathode compositions and structures in secondary or rechargeable alkali metal-sulfur batteries, including lithium-sulfur batteries, sodium-sulfur batteries, and potassium-sulfur batteries. Lithium-sulfur batteries include lithium metal-sulfur batteries (with lithium metal as the anode active material and sulfur as the cathode active material) and lithium ion-sulfur batteries (e.g., with Si or graphite as the anode active material and cathode active material). sulfur). Sodium-sulfur batteries include sodium metal-sulfur batteries (e.g., having sodium metal as the anode active material and sulfur as the cathode active material) and sodium ion-sulfur batteries (e.g., hard carbon as the anode active material and sulfur as the cathode active material). ) may be included.
充電式リチウムイオン(Liイオン)及びリチウム金属電池(Li-硫黄及びLi金属-空気電池を含む)が、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、及びポータブル電子デバイス、例えばラップトップコンピュータ及び携帯電話用の有望な電源とみなされている。金属元素としてのリチウムは、アノード活性材料としての任意の他の金属又は金属インターカレーション化合物(4,200mAh/gの比容量を有するLi4.4Siを除く)と比較して最高の容量(3,861mAh/g)を有する。したがって、一般に、Li金属電池は、リチウムイオン電池よりも大幅に高いエネルギー密度を有する。 Rechargeable lithium ion (Li ion) and lithium metal batteries (including Li-sulfur and Li metal-air batteries) are used in electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and portable electronic devices such as laptop computers and It is considered a promising power source for mobile phones. Lithium as a metallic element has the highest capacity ( 3,861mAh/g). Therefore, Li metal batteries generally have a significantly higher energy density than lithium ion batteries.
歴史的には、充電式リチウム金属電池は、リチウム金属アノードと結合されたカソード活性材料として、TiS2、MoS2、MnO2、CoO2、及びV2O5など、比較的高い比容量を有する非リチウム化化合物を使用して製造された。電池が放電されると、リチウム金属アノードから電解質を通ってカソードにリチウムイオンが移動され、カソードがリチウム化された。残念ながら、充放電を繰り返すと、リチウム金属がアノードでデンドライトを形成し、このデンドライトは、最終的にはセパレータを貫通して成長し、内部短絡及び爆発を引き起こした。この問題に関連した一連の事故の結果、1990年代初頭にこれらのタイプの二次電池の生産が中止され、リチウムイオン電池に取って代わられた。 Historically, rechargeable lithium metal batteries have used materials with relatively high specific capacities such as TiS2 , MoS2 , MnO2 , CoO2 , and V2O5 as cathode active materials combined with a lithium metal anode . Manufactured using non-lithiated compounds. When the cell was discharged, lithium ions were transferred from the lithium metal anode through the electrolyte to the cathode, lithiation of the cathode. Unfortunately, upon repeated charging and discharging, the lithium metal formed dendrites at the anode that eventually grew through the separator, causing an internal short circuit and an explosion. As a result of a series of accidents related to this problem, production of these types of secondary batteries was discontinued in the early 1990s and replaced by lithium ion batteries.
リチウムイオン電池では、純粋なリチウム金属のシート又はフィルムが、アノードとしての炭素質材料によって置換された。炭素質材料は、(例えば、グラフェン面間でのリチウムイオン又は原子のインターカレーションにより)リチウムを吸収し、リチウムイオン電池動作のそれぞれ再充電段階中及び放電段階中にリチウムイオンを脱着する。炭素質材料は、リチウムとインターカレートすることができる黒鉛を主に含むことがあり、得られる黒鉛インターカレーション化合物は、LixC6として表すことができ、ここで、xは典型的には1未満である。 In lithium ion batteries, a sheet or film of pure lithium metal was replaced by a carbonaceous material as the anode. The carbonaceous material absorbs lithium (eg, by intercalation of lithium ions or atoms between graphene planes) and desorbs lithium ions during the respective recharge and discharge phases of lithium ion battery operation. The carbonaceous material may primarily contain graphite that can be intercalated with lithium, and the resulting graphite intercalation compound can be represented as Li x C 6 , where x is typically is less than 1.
リチウムイオン(Liイオン)バッテリは、電気駆動車用の有望なエネルギー貯蔵デバイスであるが、現況技術のLiイオン電池は、コスト面及び性能面での目標をまだ満たしていない。Liイオンセルは、典型的には、炭素負極(アノード)に対して高電位でLi+を脱/再インターカレートする正極(カソード)としてリチウム遷移金属酸化物又はリン酸塩を使用する。リチウム遷移金属酸化物又はリン酸塩ベースのカソード活性材料の比容量は、典型的には140~170mAh/gの範囲内である。その結果、市販のLiイオンセルの比エネルギーは、典型的には120~220Wh/kg、最も典型的には150~180Wh/kgの範囲内である。これらの比エネルギー値は、バッテリ駆動式電気自動車が広く受け入れられるために必要とされるよりも2~3倍低い。 Lithium-ion (Li-ion) batteries are a promising energy storage device for electric vehicles, but current state-of-the-art Li-ion batteries have not yet met cost and performance goals. Li-ion cells typically use lithium transition metal oxides or phosphates as the positive electrode (cathode) to de/re-intercalate Li+ at high potentials relative to the carbon negative electrode (anode). The specific capacity of lithium transition metal oxide or phosphate-based cathode active materials is typically in the range of 140-170 mAh/g. As a result, the specific energy of commercially available Li-ion cells is typically in the range of 120-220 Wh/kg, most typically 150-180 Wh/kg. These specific energy values are two to three times lower than would be required for battery-powered electric vehicles to gain widespread acceptance.
ハイブリッド(HEV)、プラグインハイブリッド電気自動車(HEV)、全電池電気自動車(EV)の急速な発展に伴って、大幅に高い比エネルギー、より高いエネルギー密度、より高いレート性能、長いサイクル寿命、及び安全性を備える充電式電池を提供するアノード及びカソード材料が緊急で必要である。最も有望なエネルギー貯蔵デバイスの1つは、リチウム-硫黄(Li-S)セルである。これは、Liの理論容量が3,861mAh/gであり、Sの理論容量が1,675mAh/gであるからである。Li-Sセルは、その最も単純な形態では、正極としての元素硫黄と、負極としてのリチウムとからなる。リチウム-硫黄セルは、Li+/Li0に対して2.2Vに近い反応S8+16Li⇔8Li2Sで表される酸化還元対で動作する。この電気化学電位は、従来の正極(例えば、LiMnO4)によって示される電位の約2/3である。しかし、この欠点は、LiとSの両方の非常に高い理論容量によって相殺される。したがって、従来のインターカレーションに基づくLiイオン電池と比較して、Li-Sセルは、大幅に高いエネルギー密度(容量と電圧の積)を提供する可能性を有する。Li2Sへの完全な反応を仮定すると、エネルギー密度値は、Li及びSの合計重量又は体積に基づいて、それぞれ2,500Wh/kg及び2,800Wh/Lに近づき得る。総セル重量又は体積に基づく場合、エネルギー密度はそれぞれ約1,000Wh/kg及び1,100Wh/Lに達し得る。しかし、硫黄カソード技術の業界リーダーによって報告された現在のLi硫黄セルは、(総セル重量に基づいて)250~400Wh/kgの最大セル比エネルギーを有しており、これは、可能な値よりもかなり低い。 With the rapid development of hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (HEVs), and all-battery electric vehicles (EVs), significantly higher specific energy, higher energy density, higher rate performance, longer cycle life, and There is an urgent need for anode and cathode materials that provide safe rechargeable batteries. One of the most promising energy storage devices is the lithium-sulfur (Li-S) cell. This is because the theoretical capacity of Li is 3,861 mAh/g and the theoretical capacity of S is 1,675 mAh/g. In its simplest form, a Li-S cell consists of elemental sulfur as the positive electrode and lithium as the negative electrode. Lithium-sulfur cells operate with a redox couple represented by the reaction S 8 +16Li⇔8Li 2 S near 2.2V for Li + /Li 0 . This electrochemical potential is approximately 2/3 of the potential exhibited by a conventional positive electrode (eg, LiMnO 4 ). However, this drawback is offset by the very high theoretical capacities of both Li and S. Therefore, compared to traditional intercalation-based Li-ion batteries, Li-S cells have the potential to provide significantly higher energy density (capacity and voltage product). Assuming complete reaction to Li 2 S, the energy density values can approach 2,500 Wh/kg and 2,800 Wh/L based on the total weight or volume of Li and S, respectively. Based on total cell weight or volume, the energy density can reach approximately 1,000 Wh/kg and 1,100 Wh/L, respectively. However, current Li-sulfur cells reported by industry leaders in sulfur cathode technology have maximum cell specific energies of 250-400 Wh/kg (based on total cell weight), which is lower than the possible values. is also quite low.
要約すると、図2にて概略的に示すように、かなりの利点があるにもかかわらず、Li-Sセルには、いくつかの主な技術的問題があり、したがってそれらがLi-Sセルの広範な商業化を妨げている。
(1)従来のリチウム金属セルは、デンドライト形成及び関連の内部短絡の問題を依然として有する。
(2)硫黄又は硫黄含有有機化合物は、電気的にもイオン的にも高い絶縁性を有する。高い電流密度又は充放電レートで可逆電気化学反応を可能にするために、硫黄は、導電性添加剤との密接な接触を維持しなければならない。この目的のために様々な炭素-硫黄複合体が利用されているが、接触面積のスケールが限られているため、限られた成功しか収めていなかった。報告されている典型的な容量は、中程度のレートで、(カソード炭素-硫黄複合体重量に基づいて)300~550mAh/gである。
(3)このセルは、放電-充電サイクル中に大幅な容量減衰を示す傾向がある。これは主に、電解質に使用される極性有機溶媒中での放電プロセスと充電プロセスの両方において反応中間体として形成されるポリ硫化リチウムアニオンの高い可溶性によるものである。サイクリング中、ポリ硫化リチウムアニオンは、セパレータを通ってLi負極に移動することがあり、そこで還元されて固体の沈殿物(Li2S2及び/又はLi2S)となり、活性質量損失を引き起こす。さらに、放電中に正極の表面に析出する固体生成物が電気化学的に不可逆的になり、これも活性質量損失の一因となる。
(4)より一般的に言えば、元素硫黄、有機硫黄、及び炭素-硫黄材料を含むカソードを含むセルの大きな欠点は、カソードからセルの残りの部分への、可溶性硫化物、ポリ硫化物、オルガノスルフィド、硫化炭素、及び/又はポリ硫化炭素(本明細書では以後、アニオン性還元生成物と呼ぶ)の溶解及び過剰な外方拡散に関する。この現象は一般的にシャトル効果と呼ばれる。このプロセスは、以下のようないくつかの問題を生じる:高い自己放電率、カソード容量の損失、活性セル構成要素への電気的接触の喪失をもたらす集電体及び電気的リードの腐食、アノードの機能不全をもたらすアノード表面の汚れ、並びに、イオン輸送の喪失及びセル内の内部抵抗の大きな増加をもたらすセル膜セパレータの細孔の目詰まり。
In summary, despite the considerable advantages, Li-S cells suffer from some major technical problems, as shown schematically in Figure 2. impeding widespread commercialization.
(1) Conventional lithium metal cells still have problems with dendrite formation and related internal short circuits.
(2) Sulfur or a sulfur-containing organic compound has high electrical and ionic insulation properties. To enable reversible electrochemical reactions at high current densities or charge/discharge rates, the sulfur must remain in close contact with the conductive additive. Various carbon-sulfur composites have been utilized for this purpose, but with limited success due to the limited scale of the contact area. Typical capacities reported are 300-550 mAh/g (based on cathode carbon-sulfur composite weight) at moderate rates.
(3) The cell tends to exhibit significant capacity decay during discharge-charge cycles. This is mainly due to the high solubility of lithium polysulfide anions, which are formed as reaction intermediates in both the discharging and charging processes, in the polar organic solvents used in the electrolyte. During cycling, lithium polysulfide anions may migrate through the separator to the Li negative electrode where they are reduced to solid precipitates (Li 2 S 2 and/or Li 2 S), causing active mass loss. Furthermore, solid products deposited on the surface of the positive electrode during discharge become electrochemically irreversible, which also contributes to active mass loss.
(4) More generally, a major drawback of cells containing cathodes containing elemental sulfur, organic sulfur, and carbon-sulfur materials is that soluble sulfides, polysulfides, Concerning dissolution and excessive out-diffusion of organosulfides, carbon sulfides, and/or polysulfides (hereinafter referred to as anionic reduction products). This phenomenon is commonly called the shuttle effect. This process creates several problems, including: high self-discharge rates, loss of cathode capacity, corrosion of the current collector and electrical leads resulting in loss of electrical contact to the active cell components, and corrosion of the anode. Fouling of the anode surface leading to malfunction and clogging of the pores of the cell membrane separator leading to loss of ion transport and a large increase in internal resistance within the cell.
これらの課題に対応して、新規の電解質、リチウムアノード用の保護フィルム、及び固体電解質が開発されている。いくつかの興味深いカソードの開発が最近報告されており、ポリ硫化リチウムを含む。しかし、それらの性能は、まだ実用的な用途に必要な性能に至っていない。 In response to these challenges, new electrolytes, protective films for lithium anodes, and solid electrolytes have been developed. Several interesting cathode developments have been reported recently, including lithium polysulfide. However, their performance has not yet reached the level required for practical use.
例えばJiらは、ナノ構造化硫黄/メソポーラス炭素材料に基づくカソードがこれらの課題を大幅に克服でき、安定した高い可逆容量を示し、レート特性とサイクリング効率が優れていることを報告した[Xiulei Ji,Kyu Tae Lee,& Linda F.Nazar,“A highly ordered nanostructured carbon-sulphur cathode for lithium-sulphur batteries,”Nature Materials 8,500-506(2009)]。しかし、提案されている高度に秩序化されたメソポーラス炭素構造の作製には、単調であり高い費用がかかるテンプレート支援プロセスが必要である。また、物理気相成長法又は溶液沈殿法を使用して、これらのメソスケールの細孔に高比率の硫黄を装填することも困難である。 For example, Ji et al. reported that a cathode based on nanostructured sulfur/mesoporous carbon material can largely overcome these challenges, exhibiting stable and high reversible capacity, and excellent rate characteristics and cycling efficiency [Xiulei Ji , Kyu Tae Lee, & Linda F. Nazar, “A highly ordered nanostructured carbon-sulfur cathode for lithium-sulfur batteries,” Nature Materials 8, 500-506 (2 009)]. However, the fabrication of the proposed highly ordered mesoporous carbon structures requires a tedious and expensive template-assisted process. It is also difficult to load high proportions of sulfur into these mesoscale pores using physical vapor deposition or solution precipitation methods.
Zhangら(米国特許公開第2014/0234702号明細書;2014年8月21日)は、単離された酸化グラフェン(GO)シートの表面上に微細S粒子を堆積させる化学反応法を利用する。しかし、この方法は、GO表面上に高比率のS粒子(すなわち、典型的にはGO-Sナノコンポジット組成物中で66%未満のS)を作成することができない。得られるLi-Sセルはまた、レート性能が低い;例えば、0.02Cのレートで(Sの重量に基づいて)1,100mAh/gの比容量が、1.0Cのレートで<450mAh/gに低下される。実現可能な最高の比容量1,100mAh/gは、そのような低い充放電レートでさえ、1,100/1,675=65.7%の硫黄利用効率を示すことに留意されたい(0.02Cは、1/0.02=50時間で充電又は放電プロセスを完了することを意味する。同様に、1C=1時間、2C=1/2時間、3C=1/3時間などである)。さらに、そのようなS-GOナノコンポジットカソードベースのLi-Sセルは、非常に短いサイクル寿命を示し、容量は、典型的には、40回未満の充放電サイクルでその元の容量の60%未満に低下する。そのような短いサイクル寿命のため、このLi-Sセルは実用的な用途には有用でない。酸化グラフェン表面上にS粒子を堆積させる別の化学反応法をWangらが開示している(米国特許出願公開第2013/0171339号明細書;2013年7月4日)。このLi-Sセルも依然として同じ問題を抱えている。 Zhang et al. (US Patent Publication No. 2014/0234702; August 21, 2014) utilize a chemical reaction method to deposit fine S particles on the surface of isolated graphene oxide (GO) sheets. However, this method is unable to create a high proportion of S particles (ie, typically less than 66% S in GO-S nanocomposite compositions) on the GO surface. The resulting Li-S cells also have poor rate performance; for example, a specific capacity of 1,100 mAh/g (based on S weight) at a rate of 0.02 C but <450 mAh/g at a rate of 1.0 C. will be lowered to Note that the highest achievable specific capacity of 1,100 mAh/g indicates a sulfur utilization efficiency of 1,100/1,675 = 65.7% even at such low charge/discharge rates (0. 02C means to complete the charging or discharging process in 1/0.02=50 hours; similarly, 1C=1 hour, 2C=1/2 hour, 3C=1/3 hour, etc.). Furthermore, such S-GO nanocomposite cathode-based Li-S cells exhibit very short cycle life, with the capacity typically decreasing to 60% of its original capacity in less than 40 charge-discharge cycles. decreases below. Due to such short cycle life, this Li-S cell is not useful for practical applications. Another chemical reaction method for depositing S particles on graphene oxide surfaces is disclosed by Wang et al. (US Patent Application Publication No. 2013/0171339; July 4, 2013). This Li-S cell still has the same problem.
Li-Sセル中のカソード材料として使用するための(GO表面上に吸着された硫黄粒子を有する)グラフェン-硫黄ナノコンポジットを調製するための溶液沈殿法をLiuらが開示している(米国特許出願公開第2012/0088154号明細書;2012年4月12日)。この方法は、GOシートと溶媒(CS2)中のSとを混合して懸濁液を形成することを含む。次いで溶媒を蒸発させて固体ナノコンポジットを得て、次いでこれを粉砕して、平均直径が約50nm未満の一次硫黄粒子を有するナノコンポジット粉末を得る。残念ながら、この方法は、40nm未満のS粒子を生成することはできないようである。得られたLi-Sセルは、サイクル寿命が非常に短い(わずか50サイクル後に50%の容量減衰)。これらのナノコンポジット粒子がポリマーにカプセル化されているときでさえ、Li-Sセルは、100サイクル後にその元の容量の80%未満しか保たない。また、このセルは、レート性能が低い(0.1Cのレートで1,050mAh/g(S重量)の比容量。1.0Cのレートで<580mAh/gに低下)を示す。ここでも、これは、高比率のSがリチウム貯蔵に寄与せず、その結果、S利用効率が低いことを示唆する。 A solution precipitation method for preparing graphene-sulfur nanocomposites (with sulfur particles adsorbed on the GO surface) for use as cathode material in Li-S cells has been disclosed by Liu et al. (U.S. Pat. Application Publication No. 2012/0088154; April 12, 2012). The method involves mixing GO sheets and S in a solvent (CS 2 ) to form a suspension. The solvent is then evaporated to yield a solid nanocomposite, which is then ground to yield a nanocomposite powder having primary sulfur particles with an average diameter of less than about 50 nm. Unfortunately, this method does not seem to be able to produce S particles smaller than 40 nm. The resulting Li-S cell has a very short cycle life (50% capacity decay after only 50 cycles). Even when these nanocomposite particles are encapsulated in polymers, the Li-S cell retains less than 80% of its original capacity after 100 cycles. This cell also exhibits poor rate performance (specific capacity of 1,050 mAh/g (S weight) at a rate of 0.1 C, dropping to <580 mAh/g at a rate of 1.0 C). Again, this suggests that a high proportion of S does not contribute to lithium storage, resulting in low S utilization efficiency.
更に、前述の方法は全て、単離されたグラフェンシートの表面に対してS粒子を堆積させることを伴う。グラフェン表面に付着したS粒子(最も絶縁性の高い材料の1つ)が存在すると、複数のSが結合したグラフェンシートがともに詰め込まれたときに、得られる電極構造が非導電性になる。これらのS粒子は、グラフェンシートが互いに接触するのを防ぎ、それ以外ではグラフェンシートを導電してカソードに電子導電経路の3-Dネットワークを形成することを不可能にする。この意図せず予期しない結果は、これらの従来技術のLi-Sセルの性能が非常に低いもう1つの理由である。 Additionally, all of the aforementioned methods involve depositing S particles onto the surface of isolated graphene sheets. The presence of S particles (one of the most insulating materials) attached to the graphene surface makes the resulting electrode structure non-conductive when multiple S-bonded graphene sheets are packed together. These S particles prevent the graphene sheets from touching each other and otherwise make it impossible to conduct the graphene sheets to form a 3-D network of electronic conduction paths at the cathode. This unintended and unexpected result is another reason why the performance of these prior art Li-S cells is so low.
高エネルギー密度のLi-Sセルの製造に様々な手法が提案されているが、これらのセルにおける、カソードコンパートメントから他のコンポーネントへのS又はリチウムポリスルフィドの外方拡散を遅らせるカソード材料、製造プロセス、及びセル操作方法の必要性が残っており、電気活性カソード材料の利用効率(S利用効率)を改善し、多数のサイクルにわたって高容量の充電式Li-Sセルを提供する。 Various approaches have been proposed for the fabrication of high energy density Li-S cells, including cathode materials, fabrication processes, There remains a need for and methods of cell operation that improve the utilization efficiency of electroactive cathode materials (S utilization efficiency) and provide rechargeable Li-S cells with high capacity over multiple cycles.
最も重要なことに、リチウム金属(純リチウム、他の金属元素との高いリチウム含有量のリチウム合金、又は高いリチウム含有量を有するリチウム含有化合物を含む;例えば、>80重量%以上、又は好ましくは>90重量%のLi)は、実質的に全ての他のアノード活性材料(純粋なシリコンを除く。しかし、シリコンは粉末化の問題を有する)と比較して、最高のアノード比容量を依然として提供する。デンドライト関連の問題に対処することができれば、リチウム金属は、リチウム-硫黄二次電池における理想的なアノード材料となる。 Most importantly, lithium metal (including pure lithium, lithium alloys with high lithium content with other metal elements, or lithium-containing compounds with high lithium content; e.g. >80% by weight or more, or preferably >90 wt% Li) still provides the highest anode specific capacity compared to virtually all other anode active materials (except pure silicon, however silicon has powdering problems) do. If dendrite-related issues could be addressed, lithium metal would be an ideal anode material in lithium-sulfur secondary batteries.
ナトリウム金属(Na)とカリウム金属(K)は、Liと同様の化学的特性を有し、室温ナトリウム-硫黄セル(RT Na-S電池)又はカリウム-硫黄セル(K-S)での硫黄カソードは、(i)低い活性材料利用率、(ii)低いサイクル寿命、及び(iii)低いクーロン効率など、Li-S電池で観察される同じ問題に直面する。ここでも、これらの欠点は、主にSの絶縁性、液体電解質中のS及びポリ硫化Na又はK中間体の溶解(及び関連するシャトル効果)、並びに充放電中の大きな体積変化により生じる。 Sodium metal (Na) and potassium metal (K) have similar chemical properties as Li and are used as sulfur cathodes in room temperature sodium-sulfur cells (RT Na-S cells) or potassium-sulfur cells (K-S). face the same problems observed in Li-S cells, such as (i) low active material utilization, (ii) low cycle life, and (iii) low Coulombic efficiency. Again, these drawbacks are mainly caused by the insulating nature of S, the dissolution of S and polysulfide Na or K intermediates in the liquid electrolyte (and associated shuttle effects), and large volume changes during charging and discharging.
したがって、本発明の目的は、並外れて高い比エネルギー又は高いエネルギー密度を示す充電式アルカリ金属電池(例えば、Li-S、Na-S、及びK-S電池)を提供することである。本発明の1つの特定の技術的目標は、400Wh/kgを超える、好ましくは500Wh/kgを超える、より好ましくは600Wh/kgを超えるセル比エネルギー(全てセルの総重量に基づく)を有するアルカリ金属-硫黄又はアルカリイオン-硫黄セルを提供することである。 It is therefore an object of the present invention to provide rechargeable alkali metal cells (eg, Li-S, Na-S, and KS cells) that exhibit exceptionally high specific energy or high energy density. One particular technical goal of the present invention is to provide an alkali metal with a cell specific energy (all based on the total weight of the cell) of greater than 400 Wh/kg, preferably greater than 500 Wh/kg, more preferably greater than 600 Wh/kg. - Sulfur or alkali ions - To provide a sulfur cell.
本発明の別の目的は、高いカソード比容量(硫黄重量に基づいて1,200mAh/gより高い、或いは、硫黄、導電性添加剤又は基材、及びバインダーの重量を組み合わせたものを含むが、カソード集電体の重量を除く、カソード複合体重量に基づいて1,000mAh/gより高い)を示すアルカリ金属-硫黄セルを提供することである。比容量は、硫黄重量のみに基づいて1,400mAh/gより高い、又はカソード複合体重量に基づいて1,200mAh/gより高いことが好ましい。これには、高い比エネルギー、デンドライト形成に対する良好な耐性、及び長く安定したサイクル寿命が伴わなければならない。 Another object of the present invention is to provide a high cathode specific capacity (greater than 1,200 mAh/g based on the weight of sulfur, or a combination of weights of sulfur, conductive additive or substrate, and binder); It is an object of the present invention to provide an alkali metal-sulfur cell exhibiting an alkali metal-sulfur cell exhibiting an energy efficiency of greater than 1,000 mAh/g (based on the cathode composite weight, excluding the weight of the cathode current collector). Preferably, the specific capacity is greater than 1,400 mAh/g based on sulfur weight alone, or greater than 1,200 mAh/g based on cathode composite weight. This must be accompanied by high specific energy, good resistance to dendrite formation, and long and stable cycle life.
公開されている文献レポート(科学論文)及び特許文献のほとんどにおいて、科学者ら又は発明者らは、(カソード複合体の総重量ではなく)硫黄又はポリ硫化リチウムの重量のみに基づいてカソード比容量を表現することを選択しているが、残念ながら、典型的にはそれらのLi-Sセルでは高比率の非活性材料(導電性添加剤及びバインダーなど、リチウムを貯蔵することができない材料)が使用されることに留意されたい。実用の目的では、カソード複合体の重量に基づく容量値を使用することがより有意義である。 In most of the published literature reports (scientific papers) and patent literature, scientists or inventors estimate the cathode specific capacity based solely on the weight of sulfur or lithium polysulfide (rather than the total weight of the cathode composite). Unfortunately, these Li-S cells typically contain a high proportion of inactive materials (materials that cannot store lithium, such as conductive additives and binders). Note that it is used. For practical purposes, it is more meaningful to use capacitance values based on the weight of the cathode composite.
したがって、本発明の特定の目的は、従来のLi-Sセルに一般的に関連する以下の問題を克服又は大幅に低減する合理的な材料及び電池設計に基づく充電式のアルカリ金属-硫黄セルを提供することである:(a)デンドライト形成(内部短絡);(b)硫黄の非常に低い電気及びイオン伝導度。これは、大きな比率(典型的には30~55%)の非活性導電性フィラーを必要とし、且つかなりの比率のアクセス不可能な又は到達不可能な硫黄又はアルカリ金属ポリ硫化物を有する;(c)電解質中へのS及びアルカリ金属ポリ硫化物の溶解、並びに(d)カソードからアノードへのポリ硫化物の移動(これは、アノードでリチウム又はNa又はKと不可逆反応する)。これは、活性材料の喪失及び容量減衰(シャトル効果)をもたらす;及び(e)短いサイクル寿命。 It is therefore a particular object of the present invention to develop a rechargeable alkali metal-sulfur cell based on rational materials and cell design that overcomes or significantly reduces the following problems commonly associated with conventional Li-S cells: (a) dendrite formation (internal short circuit); (b) very low electrical and ionic conductivity of sulfur. This requires a large proportion (typically 30-55%) of non-active conductive fillers and has a significant proportion of inaccessible or inaccessible sulfur or alkali metal polysulfides; c) dissolution of the S and alkali metal polysulfides into the electrolyte, and (d) migration of the polysulfides from the cathode to the anode, where they irreversibly react with lithium or Na or K. This results in loss of active material and capacity decay (shuttle effect); and (e) short cycle life.
本発明は、アルカリ金属-硫黄セル(例えば、リチウム-硫黄セル、ナトリウム-硫黄セル、及びカリウム-硫黄セル)を提供する。アルカリ金属-硫黄セルは、(a)アノード活物質層及びアノード活物質層を支持する任意選択のアノード集電体と、(b)カソード活物質層及びカソード活物質層を支持する任意選択のカソード集電体と、(c)アノード活物質層及びカソード活物質層とイオン接触する任意選択の多孔質セパレータ層を有する電解質とを含み、この場合に、カソード活物質層は、硫黄-炭素ハイブリッド、硫黄-黒鉛ハイブリッド、硫黄-グラフェンハイブリッド、導電性ポリマー-硫黄ハイブリッド、金属スルフィド、硫黄化合物、又はこれらの組み合わせから選択される硫黄含有材料の複数の微粒子を含み、微粒子の少なくとも1つは、添加剤又は補強材なしで測定した場合に10%以上の回復可能な引張り歪み、10-5S/cm以上のリチウムイオン伝導率(典型的には、室温で測定される10-5S/cm~5×10-2S/cm)、及び0.5nm~10μmの厚さ(典型的には1nm~1μmであるが、好ましくは<100nm、より好ましくは<10nm)を有する高弾性ポリマーの薄層によって包まれている又はカプセル化されている1つ以上の硫黄含有材料粒子からなる。 The present invention provides alkali metal-sulfur cells (eg, lithium-sulfur cells, sodium-sulfur cells, and potassium-sulfur cells). The alkali metal-sulfur cell comprises (a) an anode active material layer and an optional anode current collector supporting the anode active material layer; and (b) a cathode active material layer and an optional cathode supporting the cathode active material layer. (c) an electrolyte having an optional porous separator layer in ion contact with the anode active material layer and the cathode active material layer, where the cathode active material layer comprises a sulfur-carbon hybrid; a plurality of microparticles of a sulfur-containing material selected from a sulfur-graphite hybrid, a sulfur-graphene hybrid, a conductive polymer-sulfur hybrid, a metal sulfide, a sulfur compound, or a combination thereof, at least one of the microparticles containing an additive; or recoverable tensile strain of 10% or more when measured without reinforcement, lithium ion conductivity of 10 -5 S/cm or more (typically 10 -5 S/cm to 5 measured at room temperature) ×10 −2 S/cm) and a thickness of 0.5 nm to 10 μm (typically 1 nm to 1 μm, but preferably <100 nm, more preferably <10 nm). Consisting of one or more sulfur-containing material particles that are wrapped or encapsulated.
硫黄-炭素ハイブリッド、硫黄-黒鉛ハイブリッド、硫黄-グラフェンハイブリッド、又は導電性ポリマー-硫黄ハイブリッドは、混合物、ブレンド、複合体、或いは硫黄又は硫化物の炭素、黒鉛、グラフェン、又は導電性ポリマー材料との化学的又は物理的に結合した物体であり得る。例えば、硫黄-グラフェンハイブリッドは、ボールミル粉砕によって調製された硫黄とグラフェンの単純な混合物(粒子形態)であり得る。このようなハイブリッドは、酸化グラフェンシート等の表面で結合した硫黄を含み得る。別の例として、硫黄-炭素ハイブリッドは、硫黄とカーボンナノチューブの単純な混合物(粒子形態)であり得る、又は活性炭粒子の細孔に存在する硫黄を含み得る。 Sulfur-carbon hybrids, sulfur-graphite hybrids, sulfur-graphene hybrids, or conductive polymer-sulfur hybrids are mixtures, blends, composites, or combinations of sulfur or sulfides with carbon, graphite, graphene, or conductive polymer materials. It can be a chemically or physically bound object. For example, a sulfur-graphene hybrid can be a simple mixture of sulfur and graphene (in particle form) prepared by ball milling. Such hybrids may include sulfur bound at a surface such as a graphene oxide sheet. As another example, the sulfur-carbon hybrid can be a simple mixture of sulfur and carbon nanotubes (in particle form), or can include sulfur present in the pores of activated carbon particles.
本発明の充電式アルカリ金属-硫黄セルでは、高弾性ポリマーは、ポリマー鎖の架橋ネットワークにおいて、エーテル結合、ニトリル由来結合、過酸化ベンゾイル由来結合、エチレンオキシド結合、プロピレンオキシド結合、ビニルアルコール結合、シアノ-樹脂結合、トリアクリレートモノマー由来結合、テトラアクリレートモノマー由来結合、又はこれらの組み合わせを有するポリマー鎖の前述の架橋ネットワークを含み得る。 In the rechargeable alkali metal-sulfur cell of the present invention, the highly elastic polymer has ether bonds, nitrile-derived bonds, benzoyl peroxide-derived bonds, ethylene oxide bonds, propylene oxide bonds, vinyl alcohol bonds, cyano- It may include the aforementioned crosslinked networks of polymer chains having resin bonds, triacrylate monomer-derived bonds, tetraacrylate monomer-derived bonds, or combinations thereof.
いくつかの好ましい実施形態では、高弾性ポリマーは、ニトリル含有ポリビニルアルコール鎖、シアノ樹脂鎖、ペンタエリスリトールテトラアクリレート鎖、ペンタエリスリトールトリアクリレート鎖、エトキシ化トリメチロールプロパントリアクリレート(ETPTA)鎖、エチレングリコールメチルエーテルアクリレート(EGMEA)鎖、又はこれらの組み合わせから選択されるポリマー鎖の架橋ネットワークを含む。 In some preferred embodiments, the high modulus polymer includes nitrile-containing polyvinyl alcohol chains, cyano resin chains, pentaerythritol tetraacrylate chains, pentaerythritol triacrylate chains, ethoxylated trimethylolpropane triacrylate (ETPTA) chains, ethylene glycol methyl It comprises a cross-linked network of polymer chains selected from ether acrylate (EGMEA) chains, or combinations thereof.
充電式アルカリ金属-硫黄セルにおいて、金属スルフィドは、MxSyで表される材料を含み得、この場合に、xは1~3の整数であり、yは1~10の整数であり、Mは、アルカリ金属、Mg又はCaから選択されるアルカリ金属、遷移金属、周期表の13族~17族の金属、或いはこれらの組み合わせから選択される金属元素である。好ましくは、金属元素Mは、Li、Na、K、Mg、Zn、Cu、Ti、Ni、Co、Fe、又はAlから選択される。 In a rechargeable alkali metal-sulfur cell, the metal sulfide may include a material represented by M x S y , where x is an integer from 1 to 3 and y is an integer from 1 to 10; M is a metal element selected from an alkali metal, an alkali metal selected from Mg or Ca, a transition metal, a metal from Groups 13 to 17 of the periodic table, or a combination thereof. Preferably, the metal element M is selected from Li, Na, K, Mg, Zn, Cu, Ti, Ni, Co, Fe, or Al.
いくつかの好ましい実施形態では、カソード層の金属スルフィドは、Li2S1、Li2S2、Li2S3、Li2S4、Li2S5、Li2S6、Li2S7、Li2S8、Li2S9、Li2S10、Na2S1、Na2S2、Na2S3、Na2S4、Na2S5、Na2S6、Na2S7、Na2S8、Na2S9、Na2S10、K2S1、K2S2、K2S3、K2S4、K2S5、K2S6、K2S7、K2S8、K2S9、又はK2S10を含む。 In some preferred embodiments, the metal sulfide of the cathode layer is Li2S1 , Li2S2 , Li2S3 , Li2S4 , Li2S5 , Li2S6 , Li2S7 , Li2S8 , Li2S9 , Li2S10 , Na2S1 , Na2S2 , Na2S3 , Na2S4 , Na2S5 , Na2S6 , Na2S7 , Na2S8 , Na2S9 , Na2S10 , K2S1 , K2S2 , K2S3 , K2S4 , K2S5 , K2S6 , K2S7 , Contains K 2 S 8 , K 2 S 9 , or K 2 S 10 .
充電式アルカリ金属-硫黄セルでは、カソード活物質層の炭素又は黒鉛材料は、メソフェーズピッチ、メソフェーズカーボン、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、コークス粒子、膨張黒鉛フレーク、人工黒鉛粒子、天然黒鉛粒子、高配向熱分解黒鉛、軟質炭素粒子、硬質炭素粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、炭素繊維、黒鉛ナノファイバー、黒鉛繊維、炭化ポリマーファイバー、活性炭、カーボンブラック、又はこれらの組み合わせから選択されることができる。グラフェンは、純粋なグラフェン、酸化グラフェン、還元グラフェン酸化物(RGO)、フッ化グラフェン、窒素化グラフェン、水素化グラフェン、ドープトグラフェン、官能化グラフェン、又はこれらの組み合わせから選択されることができる。 In rechargeable alkali metal-sulfur cells, the carbon or graphite material of the cathode active material layer can be mesophase pitch, mesophase carbon, mesocarbon microbeads (MCMB), coke particles, expanded graphite flakes, artificial graphite particles, natural graphite particles, high Can be selected from oriented pyrolytic graphite, soft carbon particles, hard carbon particles, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers, graphite nanofibers, graphite fibers, carbonized polymer fibers, activated carbon, carbon black, or combinations thereof. . Graphene can be selected from pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide (RGO), fluorinated graphene, nitrogenated graphene, hydrogenated graphene, doped graphene, functionalized graphene, or combinations thereof.
導電性ポリマー-硫黄ハイブリッドは、好ましくは、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、二環式ポリマー、これらのスルホン化誘導体、又はこれらの組み合わせから選択される本質的に導電性のポリマーを含み得る。 The conductive polymer-sulfur hybrid may preferably comprise an inherently conductive polymer selected from polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyfuran, bicyclic polymers, sulfonated derivatives thereof, or combinations thereof.
特定の実施形態では、高弾性ポリマーは、0.1重量%~50重量%のその中に分散されたリチウムイオン伝導性添加剤を含む、或いはカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラフェン、又はこれらの組み合わせから選択される0.1重量%~10重量%の補強ナノフィラメントをその中に含む。 In certain embodiments, the high modulus polymer comprises from 0.1% to 50% by weight of a lithium ion conductive additive dispersed therein, or carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene, or combinations thereof. 0.1% to 10% by weight of reinforcing nanofilaments selected from.
特定の実施形態では、高弾性ポリマーは、リチウムイオン伝導性添加剤と混合されて複合体を形成し、この場合に、前述のリチウムイオン伝導性添加剤は、前述の高弾性ポリマーに分散され、Li2CO3、Li2O、Li2C2O4、LiOH、LiX、ROCO2Li、HCOLi、ROLi、(ROCO2Li)2、(CH2OCO2Li)2、Li2S、LixSOy、又はこれらの組み合わせから選択され、この場合に、X=F、Cl、I、又はBr、R=炭化水素基、x=0~1、y=1~4である。 In certain embodiments, a high modulus polymer is mixed with a lithium ion conductive additive to form a composite, wherein said lithium ion conductive additive is dispersed in said high modulus polymer; Li 2 CO 3 , Li 2 O, Li 2 C 2 O 4 , LiOH, LiX, ROCO 2 Li, HCOLi, ROLi, (ROCO 2 Li) 2 , (CH 2 OCO 2 Li) 2 , Li 2 S, Li x SO y , or a combination thereof, where X=F, Cl, I, or Br, R=hydrocarbon group, x=0-1, y=1-4.
特定の実施形態では、高弾性ポリマーは、リチウムイオン伝導性添加剤と混合されて複合体を形成し、この場合に、リチウムイオン伝導性添加剤は、高弾性ポリマーに分散され、過塩素酸リチウム、LiClO4、ヘキサフルオロリン酸リチウム、LiPF6、ホウフッ化リチウム、LiBF4、六フッ化ヒ化リチウム、LiAsF6、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、LiCF3SO3、ビス-トリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム、LiN(CF3SO2)2、リチウムビス(オキサラト)ボレート、LiBOB、リチウムオキサリルジフルオロボレート、LiBF2C2O4、リチウムオキサリルジフルオロボレート、LiBF2C2O4、硝酸リチウム、LiNO3、Li-フルオロアルキル-リン酸、LiPF3(CF2CF3)3、リチウムビスベルフルオロ-エチルスルホニルイミド、LiBETI、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド、リチウムトリフルオロメタンスルホンイミド、LiTFSI、イオン液体系リチウム塩、又はこれらの組み合わせから選択される。 In certain embodiments, a high modulus polymer is mixed with a lithium ion conductive additive to form a composite, where the lithium ion conductive additive is dispersed in the high modulus polymer and lithium perchlorate. , LiClO 4 , lithium hexafluorophosphate, LiPF 6 , lithium borofluoride, LiBF 4 , lithium hexafluoroarsenide, LiAsF 6 , lithium trifluoromethanesulfonate, LiCF 3 SO 3 , lithium bis-trifluoromethylsulfonylimide, LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , lithium bis(oxalato)borate, LiBOB, lithium oxalyl difluoroborate, LiBF 2 C 2 O 4 , lithium oxalyl difluoroborate, LiBF 2 C 2 O 4 , lithium nitrate, LiNO 3 , Li- Fluoroalkyl-phosphoric acid, LiPF 3 (CF 2 CF 3 ) 3 , lithium bisberfluoro-ethylsulfonylimide, LiBETI, lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, lithium bis(fluorosulfonyl)imide, lithium trifluoromethanesulfonylimide, selected from LiTFSI, ionic liquid-based lithium salts, or combinations thereof.
特定の好ましい実施形態では、高弾性ポリマーは、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、二環式ポリマー、これらのスルホン化誘導体、又はこれらの組み合わせから選択される導電性ポリマーと混合される。 In certain preferred embodiments, the high modulus polymer is mixed with a conductive polymer selected from polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyfuran, bicyclic polymers, sulfonated derivatives thereof, or combinations thereof.
特定の実施形態では、高弾性ポリマーは、ポリ(エチレンオキシド)(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリ(アクリロニトリル)(PAN)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、ポリ(フッ化ビニリデン)(PVdF)、ポリビス-メトキシエトキシエトキシド-ホスファゼネックス、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリ(フッ化ビニリデン)-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)、これらのスルホン化誘導体、又はこれらの組み合わせから選択されるリチウムイオン伝導性ポリマーとの混合物又はブレンドを形成する。 In certain embodiments, the high modulus polymers include poly(ethylene oxide) (PEO), polypropylene oxide (PPO), poly(acrylonitrile) (PAN), poly(methyl methacrylate) (PMMA), poly(vinylidene fluoride) (PVdF). ), polybis-methoxyethoxyethoxide-phosphazenex, polyvinyl chloride, polydimethylsiloxane, poly(vinylidene fluoride)-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), sulfonated derivatives thereof, or combinations thereof. form a mixture or blend with a lithium ion conductive polymer.
典型的には、高弾性ポリマーは、室温で1×10-5S/cm~5×10-2S/cmのリチウムイオン伝導率を有する。 Typically, high modulus polymers have a lithium ion conductivity of 1×10 −5 S/cm to 5×10 −2 S/cm at room temperature.
充電式アルカリ金属-硫黄セルは、80%~99%、より一般的には85%~97%の硫黄利用効率を有する。 Rechargeable alkali metal-sulfur cells have sulfur utilization efficiencies of 80% to 99%, more typically 85% to 97%.
充電式アルカリ金属-硫黄セルでは、電解質は、ポリマー電解質、ポリマーゲル電解質、複合電解質、イオン液体電解質、非水性液体電解質、ソフトマター相電解質、固体電解質、又はこれらの組み合わせから選択される。電解質は、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、ホウフッ化リチウム(LiBF4)、六フッ化ヒ化リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビス-トリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム(LiN(CF3SO2)2、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiBOB)、オキサリルジフルオロホウ酸リチウム(LiBF2C2O4)、オキサリルジフルオロホウ酸リチウム(LiBF2C2O4)、硝酸リチウム(LiNO3)、Li-フルオロアルキル-リン酸(LiPF3(CF2CF3)3)、リチウムビスパーフルオロエチルスルホニルイミド(LiBETI)、イオン液体塩、過塩素酸ナトリウム(NaClO4)、過塩素酸カリウム(KClO4)、ヘキサフルオロリン酸ナトリウム(NaPF6)、六フッ化リン酸カリウム(KPF6)、ホウフッ化ナトリウム(NaBF4)、ホウフッ化カリウム(KBF4)、六フッ化ヒ化ナトリウム、ヘキサフルオロヒ化カリウム、トリフルオロメタスルホン酸ナトリウム(NaCF3SO3)、トリフルオロメタスルホン酸カリウム(KCF3SO3)、ビス-トリフルオロメチルスルホニルイミドナトリウム(NaN(CF3SO2)2)、ナトリウムトリフルオロメタンスルホンイミド(NaTFSI)、ビス-トリフルオロメチルスルホニルイミドカリウム(KN(CF3SO2)2)、又はこれらの組み合わせから選択される塩を含んでもよい。 In rechargeable alkali metal-sulfur cells, the electrolyte is selected from polymer electrolytes, polymer gel electrolytes, composite electrolytes, ionic liquid electrolytes, non-aqueous liquid electrolytes, soft matter phase electrolytes, solid electrolytes, or combinations thereof. The electrolytes include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium hexafluoroarsenide (LiAsF 6 ), and lithium trifluorometasulfonate (LiCF 3SO3 ) , lithium bis-trifluoromethylsulfonylimide ( LiN( CF3SO2 ) 2) , lithium bis ( oxalato)borate (LiBOB), lithium oxalyldifluoroborate ( LiBF2C2O4 ), oxalyldifluoro Lithium borate (LiBF 2 C 2 O 4 ), Lithium nitrate (LiNO 3 ), Li-fluoroalkyl-phosphate (LiPF 3 (CF 2 CF 3 ) 3 ), Lithium bisperfluoroethylsulfonylimide (LiBETI), Ion Liquid salts, sodium perchlorate (NaClO 4 ), potassium perchlorate (KClO 4 ), sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ), potassium hexafluorophosphate (KPF 6 ), sodium borofluoride (NaBF 4 ), Potassium borofluoride (KBF 4 ), sodium hexafluoromethane arsenide, potassium hexafluoroarsenide, sodium trifluoromethanesulfonate (NaCF 3 SO 3 ), potassium trifluoromethanesulfonate (KCF 3 SO 3 ), bis-trifluoromethane Selected from sodium fluoromethylsulfonylimide (NaN(CF 3 SO 2 ) 2 ), sodium trifluoromethanesulfonimide (NaTFSI), potassium bis-trifluoromethylsulfonylimide (KN(CF 3 SO 2 ) 2 ), or combinations thereof It may also contain salts.
溶媒は、炭酸エチレン(EC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸メチルエチル(MEC)、炭酸ジエチル(DEC)、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、炭酸プロピレン(PC)、γ-ブチロラクトン(γ-BL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、ギ酸プロピル(PF)、ギ酸メチル(MF)、トルエン、キシレン又は酢酸メチル(MA)、炭酸フルオロエチレン(FEC)、炭酸ビニレン(VC)、炭酸アリルエチル(AEC)、1,3-ジオキソラン(DOL)、1,2-ジメトキシエタン(DME)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)、ポリ(エチレングリコール)ジメチルエーテル(PEGDME)、ジエチレングリコールジブチルエーテル(DEGDBE)、2-エトキシエチルエーテル(EEE)、スルホン、スルホラン、室温イオン液体、又はこれらの組み合わせから選択されることができる。 Solvents include ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC), ethyl propionate, methyl propionate, propylene carbonate (PC), and γ-butyrolactone (γ-BL). , acetonitrile (AN), ethyl acetate (EA), propyl formate (PF), methyl formate (MF), toluene, xylene or methyl acetate (MA), fluoroethylene carbonate (FEC), vinylene carbonate (VC), allylethyl carbonate ( AEC), 1,3-dioxolane (DOL), 1,2-dimethoxyethane (DME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), poly(ethylene glycol) dimethyl ether (PEGDME), diethylene glycol dibutyl ether (DEGDBE), 2-ethoxy It can be selected from ethyl ether (EEE), sulfone, sulfolane, room temperature ionic liquid, or combinations thereof.
特定の実施形態では、アノード活物質層は、リチウム金属、ナトリウム金属、カリウム金属、リチウム金属合金、ナトリウム金属合金、カリウム金属合金、リチウムインターカレーション化合物、ナトリウムインターカレーション化合物、カリウムインターカレーション化合物、リチウム化化合物、ナトリウム化化合物、カリウムドープト化合物、リチウム化二酸化チタン、チタン酸リチウム、マンガン酸リチウム、リチウム遷移金属酸化物、Li4Ti5O12、又はこれらの組み合わせから選択されるアノード活物質を含む。 In certain embodiments, the anode active material layer comprises lithium metal, sodium metal, potassium metal, lithium metal alloy, sodium metal alloy, potassium metal alloy, lithium intercalation compound, sodium intercalation compound, potassium intercalation compound , lithiated compounds, sodated compounds, potassium-doped compounds, lithiated titanium dioxide, lithium titanate, lithium manganate, lithium transition metal oxides, Li 4 Ti 5 O 12 , or combinations thereof. Contains substances.
充電式アルカリ金属-硫黄セルは、リチウムイオン-硫黄セルであってもよく、この場合には、アノード活物質層は、(a)シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、及びカドミウム(Cd)、並びにこれらのリチウム化バージョン、(b)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、又はCdと他の元素との合金又は金属間化合物、並びにこれらのリチウム化バージョン、この場合に、前述の合金又は化合物は化学量論的又は非化学量論的である、(c)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn、又はCdの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、及びテルル化物、並びにこれらの混合物又は複合体、並びにこれらのリチウム化バージョン、(d)Snの塩及び水酸化物、並びにこれらのリチウム化バージョン、(e)炭素又は黒鉛材料及びこれらのプレリチウム化バージョン、並びにこれらの組み合わせからなる群から選択されるアノード活物質を含む。 The rechargeable alkali metal-sulfur cell may be a lithium ion-sulfur cell, in which case the anode active material layer comprises (a) silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe), and Cadmium (Cd) and lithiated versions thereof; (b) alloys or intermetallic compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd with other elements; and lithiated versions thereof; version, in which case said alloy or compound is stoichiometric or non-stoichiometric, (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, selenides, and tellurides of Ti, Mn, or Cd, and mixtures or composites thereof, and lithiated versions thereof; (d) salts of Sn; hydroxides and lithiated versions thereof; (e) carbon or graphite materials and prelithiated versions thereof; and combinations thereof.
充電式アルカリ金属-硫黄セルは、ナトリウムイオン-硫黄セル又はカリウムイオン-硫黄セルであってもよく、この場合には、前述のアノード活物質層は、(a)ナトリウム又はカリウムをドープしたシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、カドミウム(Cd)、及びこれらの混合物、(b)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、及びこれらの混合物のナトリウム又はカリウム含有合金又は金属間化合物、(c)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、及びこれらの混合物又は複合体のナトリウム又はカリウム含有の、酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、テルル化物、又はアンチモン化物、(d)ナトリウム又はカリウム塩、(e)黒鉛の粒子、硬質炭素、軟質炭素又は炭素粒子、及びこれらのプレナトリウム化バージョン、並びにこれらの組み合わせからなる群から選択されるアノード活物質を含む。 The rechargeable alkali metal-sulfur cell may be a sodium ion-sulfur cell or a potassium ion-sulfur cell, in which case the anode active material layer comprises (a) sodium or potassium doped silicon ( Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), cobalt (Co), nickel ( Ni), manganese (Mn), cadmium (Cd), and mixtures thereof; (b) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures thereof; mixtures of sodium- or potassium-containing alloys or intermetallic compounds, (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures or complexes thereof; (d) Sodium or potassium salts, (e) Graphite particles, hard carbon, soft The anode active material is selected from the group consisting of carbon or carbon particles, and presodiumated versions thereof, and combinations thereof.
好ましくは、充電式アルカリ金属-硫黄セルでは、微粒子は、高容量ポリマー及び硫黄、金属スルフィド、又は金属化合物を合わせた総重量に基づいて、80重量%~99重量%の硫黄、金属スルフィド、又は金属化合物を含む。 Preferably, in a rechargeable alkali metal-sulfur cell, the particulates contain from 80% to 99% by weight of sulfur, metal sulfide, or metal compound, based on the combined weight of the high capacity polymer and the sulfur, metal sulfide, or metal compound. Contains metal compounds.
又、本発明は、充電式アルカリ金属-硫黄セルにおけるカソード活物質層を提供する。このカソード活物質層は、硫黄-炭素ハイブリッド、硫黄-黒鉛ハイブリッド、硫黄-グラフェンハイブリッド、導電性ポリマー-硫黄ハイブリッド、金属スルフィド、硫黄化合物、又はこれらの組み合わせから選択される硫黄含有材料の複数の微粒子を含み、前記微粒子の少なくとも1つは、添加剤又は補強材なしで測定した場合に10%以上の回復可能な引張り歪み、室温で10-5S/cm以上のリチウムイオン伝導率(典型的には5×10-2S/cmまで)、及び0.5nm~10μm(好ましくは典型的には1nm~1μm、より好ましくは<100nm)の厚さを有する高弾性ポリマーの薄層によって包まれている又はカプセル化されている1つ以上の硫黄含有材料粒子からなる。 The present invention also provides a cathode active material layer in a rechargeable alkali metal-sulfur cell. The cathode active material layer includes a plurality of fine particles of a sulfur-containing material selected from sulfur-carbon hybrids, sulfur-graphite hybrids, sulfur-graphene hybrids, conductive polymer-sulfur hybrids, metal sulfides, sulfur compounds, or combinations thereof. and at least one of the particulates has a recoverable tensile strain of 10% or more when measured without additives or reinforcements, a lithium ion conductivity of 10 −5 S/cm or more at room temperature (typically (up to 5×10 −2 S/cm), and wrapped by a thin layer of highly elastic polymer having a thickness of 0.5 nm to 10 μm (preferably typically 1 nm to 1 μm, more preferably <100 nm). one or more sulfur-containing material particles that are encapsulated or encapsulated.
この生成物(カソード層)では、硫黄-炭素ハイブリッド、硫黄-黒鉛ハイブリッド、硫黄-グラフェンハイブリッド、又は導電性ポリマー-硫黄ハイブリッドは、硫黄又は硫化物と、炭素、黒鉛、グラフェン、又は導電性ポリマー材料との混合物、ブレンド、複合体、化学的又は物理的に結合した物体である。 In this product (cathode layer), a sulfur-carbon hybrid, sulfur-graphite hybrid, sulfur-graphene hybrid, or conductive polymer-sulfur hybrid combines sulfur or sulfide with carbon, graphite, graphene, or conductive polymer material. A mixture, blend, complex, chemical or physical combination of
このカソード活物質層生成物において、高弾性ポリマーは、好ましくは、ポリマー鎖の架橋ネットワークにおいて、エーテル結合、ニトリル由来結合、過酸化ベンゾイル由来結合、エチレンオキシド結合、プロピレンオキシド結合、ビニルアルコール結合、シアノ-樹脂結合、トリアクリレートモノマー由来結合、テトラアクリレートモノマー由来結合、又はこれらの組み合わせを有するポリマー鎖の架橋ネットワークを含む。好ましくは、高弾性ポリマーは、ニトリル含有ポリビニルアルコール鎖、シアノ樹脂鎖、ペンタエリスリトールテトラアクリレート鎖、ペンタエリスリトールトリアクリレート鎖、エトキシ化トリメチロールプロパントリアクリレート(ETPTA)鎖、エチレングリコールメチルエーテルアクリレート(EGMEA)鎖、又はこれらの組み合わせから選択されるポリマー鎖の架橋ネットワークを含む。 In this cathode active material layer product, the highly elastic polymer preferably contains ether bonds, nitrile-derived bonds, benzoyl peroxide-derived bonds, ethylene oxide bonds, propylene oxide bonds, vinyl alcohol bonds, cyano- It includes a crosslinked network of polymer chains having resin bonds, bonds derived from triacrylate monomers, bonds derived from tetraacrylate monomers, or combinations thereof. Preferably, the high modulus polymer is a nitrile-containing polyvinyl alcohol chain, a cyano resin chain, a pentaerythritol tetraacrylate chain, a pentaerythritol triacrylate chain, an ethoxylated trimethylolpropane triacrylate (ETPTA) chain, an ethylene glycol methyl ether acrylate (EGMEA) chain. chains, or a cross-linked network of polymer chains selected from combinations thereof.
カソード活物質層において、金属スルフィドはMxSyを含み得、この場合に、xは1~3の整数であり、yは1~10の整数であり、Mは、アルカリ金属、Mg又はCaから選択されるアルカリ金属、遷移金属、周期表の13~17族の金属、又はこれらの組み合わせから選択される金属元素である。 In the cathode active material layer, the metal sulfide may include M x S y , where x is an integer from 1 to 3, y is an integer from 1 to 10, and M is an alkali metal, Mg or Ca A metal element selected from alkali metals selected from, transition metals, metals from groups 13 to 17 of the periodic table, or a combination thereof.
カソード活物質層の炭素又は黒鉛材料は、メソフェーズピッチ、メソフェーズカーボン、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、コークス粒子、膨張黒鉛フレーク、人工黒鉛粒子、天然黒鉛粒子、高配向熱分解黒鉛、軟質炭素粒子、硬質炭素粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、炭素繊維、黒鉛ナノファイバー、黒鉛繊維、炭化ポリマーファイバー、活性炭、カーボンブラック、又はこれらの組み合わせから選択されることができる。 The carbon or graphite material of the cathode active material layer includes mesophase pitch, mesophase carbon, mesocarbon microbeads (MCMB), coke particles, expanded graphite flakes, artificial graphite particles, natural graphite particles, highly oriented pyrolytic graphite, soft carbon particles, It can be selected from hard carbon particles, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers, graphite nanofibers, graphite fibers, carbonized polymer fibers, activated carbon, carbon black, or combinations thereof.
このカソード活物質層は、カソード活物質層を形成するために複数の微粒子(カプセル化された硫黄含有粒子)をともに結合するバインダー樹脂を更に含み、この場合に、バインダー樹脂は、複数の微粒子の一部ではなく(即ち、微粒子のコア部分の内側に含まれない)複数の微粒子の外部にある。言い換えれば、高弾性ポリマーはバインダー樹脂を包まない。 The cathode active material layer further includes a binder resin that binds the plurality of particulates (encapsulated sulfur-containing particles) together to form the cathode active material layer, in which case the binder resin binds the plurality of particulates together. It is not part of (i.e., not included inside the core portion of the microparticles) but is external to the plurality of microparticles. In other words, the high modulus polymer does not wrap around the binder resin.
或いは又、本発明は、充電式アルカリ金属-硫黄セルにおけるカソード活物質層を提供し、この場合に、カソード活物質層は、樹脂バインダー、任意選択の導電性添加剤、及び硫黄-炭素ハイブリッド、硫黄-黒鉛ハイブリッド、硫黄-グラフェンハイブリッド、導電性ポリマー-硫黄ハイブリッド、金属スルフィド、硫黄化合物、又はこれらの組み合わせから選択される硫黄含有材料の複数の粒子を含み、硫黄含有材料粒子は樹脂バインダーによって結合されて統合固体層(自立することができる適切な構造的完全性の層)を形成し、統合固体層は、添加剤又は補強材なしで測定した場合に10%以上の回復可能な引張り歪み、室温で10-5S/cm以上のリチウムイオン伝導率、及び0.5nm~10μmの厚さを有する高弾性ポリマーの薄層で覆われ保護される。いくつかの実施形態では、統合固体層は、樹脂バインダーによってカソード集電体に結合される。 Alternatively, the present invention provides a cathode active material layer in a rechargeable alkali metal-sulfur cell, where the cathode active material layer comprises a resin binder, an optional conductive additive, and a sulfur-carbon hybrid; a plurality of particles of a sulfur-containing material selected from a sulfur-graphite hybrid, a sulfur-graphene hybrid, a conductive polymer-sulfur hybrid, a metal sulfide, a sulfur compound, or a combination thereof, the sulfur-containing material particles bound by a resin binder; to form an integrated solid layer (a layer of adequate structural integrity that is capable of self-supporting), the integrated solid layer has a recoverable tensile strain of 10% or more when measured without additives or reinforcements, It is covered and protected by a thin layer of highly elastic polymer with a lithium ion conductivity of more than 10 −5 S/cm at room temperature and a thickness of 0.5 nm to 10 μm. In some embodiments, the integrated solid layer is bonded to the cathode current collector by a resin binder.
このような高弾性ポリマー保護層は、前駆体の塊(必要な開始剤又は硬化剤を有するモノマー又はオリゴマー)を事前に作成されたカソード活物質層に噴霧し、次いで重合及び架橋されることによって形成できる。 Such a high modulus polymeric protective layer is created by spraying a mass of precursor (monomer or oligomer with the necessary initiator or curing agent) onto a prefabricated cathode active material layer, which is then polymerized and crosslinked. Can be formed.
本発明は又、高弾性ポリマーにより保護されたこのようなカソード活物質層を含む充電式アルカリ金属-硫黄セルを提供する。このアルカリ金属-硫黄セルは、(a)アノード活物質層及びアノード活物質層を支持する任意選択のアノード集電体と、(b)このカソード活物質層を含むカソードと、(c)アノード活物質層及びカソード活物質層とイオン接触する任意選択の多孔質セパレータ層を有する電解質とを含む。 The present invention also provides a rechargeable alkali metal-sulfur cell comprising such a cathode active material layer protected by a high modulus polymer. The alkali metal-sulfur cell includes (a) an anode active material layer and an optional anode current collector supporting the anode active material layer; (b) a cathode including the cathode active material layer; and (c) an anode active material layer. an electrolyte with an optional porous separator layer in ionic contact with the material layer and the cathode active material layer.
本発明は又、リチウム-硫黄電池のカソードで使用する粉末塊生成物を提供する。粉末塊は、硫黄-炭素ハイブリッド、硫黄-黒鉛ハイブリッド、硫黄-グラフェンハイブリッド、導電性ポリマー-硫黄ハイブリッド、金属スルフィド、硫黄化合物、又はこれらの組み合わせから選択される硫黄含有材料の複数の微粒子を含み、前述の微粒子の少なくとも1つは、添加剤又は補強材なしで測定した場合に10%以上の回復可能な引張り歪み、室温で10-5S/cm以上のリチウムイオン伝導率、及び0.5nm~10μmの厚さを有する高弾性ポリマーの薄層によって包まれている又はカプセル化されている1つ以上の硫黄含有材料粒子からなる。 The present invention also provides powder agglomerate products for use in lithium-sulfur battery cathodes. the powder mass comprises a plurality of microparticles of a sulfur-containing material selected from sulfur-carbon hybrids, sulfur-graphite hybrids, sulfur-graphene hybrids, conductive polymer-sulfur hybrids, metal sulfides, sulfur compounds, or combinations thereof; At least one of the aforementioned microparticles has a recoverable tensile strain of 10% or more when measured without additives or reinforcements, a lithium ion conductivity of 10 −5 S/cm or more at room temperature, and a lithium ion conductivity of 0.5 nm to 0.5 nm. It consists of one or more sulfur-containing material particles wrapped or encapsulated by a thin layer of highly elastic polymer having a thickness of 10 μm.
粉末塊では、硫黄-炭素ハイブリッド、硫黄-黒鉛ハイブリッド、硫黄-グラフェンハイブリッド、又は導電性ポリマー-硫黄ハイブリッドは、混合物、ブレンド、複合体、或いは硫黄又は硫化物と、炭素、黒鉛、グラフェン、又は導電性ポリマー材料との化学的又は物理的に結合した物体である。高弾性ポリマーは、ポリマー鎖の架橋ネットワークにおいて、エーテル結合、ニトリル由来結合、過酸化ベンゾイル由来結合、エチレンオキシド結合、プロピレンオキシド結合、ビニルアルコール結合、シアノ-樹脂結合、トリアクリレートモノマー由来結合、テトラアクリレートモノマー由来結合、又はこれらの組み合わせを有するポリマー鎖の前述の架橋ネットワークを含む。好ましくは、高弾性ポリマーは、ニトリル含有ポリビニルアルコール鎖、シアノ樹脂鎖、ペンタエリスリトールテトラアクリレート鎖、ペンタエリスリトールトリアクリレート鎖、エトキシ化トリメチロールプロパントリアクリレート(ETPTA)鎖、エチレングリコールメチルエーテルアクリレート(EGMEA)鎖、又はこれらの組み合わせから選択されるポリマー鎖の架橋ネットワークを含む。 In the powder mass, the sulfur-carbon hybrid, sulfur-graphite hybrid, sulfur-graphene hybrid, or conductive polymer-sulfur hybrid is a mixture, blend, composite, or combination of sulfur or sulfide with carbon, graphite, graphene, or conductive polymer. It is an object that is chemically or physically bonded to a polymeric material. Highly elastic polymers have ether bonds, nitrile-derived bonds, benzoyl peroxide-derived bonds, ethylene oxide bonds, propylene oxide bonds, vinyl alcohol bonds, cyano-resin bonds, triacrylate monomer-derived bonds, and tetraacrylate monomer bonds in the crosslinked network of the polymer chain. or a combination of these. Preferably, the high modulus polymer is a nitrile-containing polyvinyl alcohol chain, a cyano resin chain, a pentaerythritol tetraacrylate chain, a pentaerythritol triacrylate chain, an ethoxylated trimethylolpropane triacrylate (ETPTA) chain, an ethylene glycol methyl ether acrylate (EGMEA) chain. chains, or a cross-linked network of polymer chains selected from combinations thereof.
粉末塊において、金属スルフィドはMxSyを含み得、この場合に、xは1~3の整数であり、yは1~10の整数であり、Mは、アルカリ金属、Mg又はCaから選択されるアルカリ金属、遷移金属、周期表の13~17族の金属、又はこれらの組み合わせから選択される金属元素である。 In the powder mass, the metal sulfide may include M x S y , where x is an integer from 1 to 3, y is an integer from 1 to 10, and M is selected from an alkali metal, Mg or Ca. metal elements selected from alkali metals, transition metals, metals from groups 13 to 17 of the periodic table, or combinations thereof.
本発明は又、充電式アルカリ金属-硫黄セルを製造する方法を提供する。この方法は、(a)カソード及びカソードを支持する任意選択のカソード集電体を提供する工程と、(b)Li、Na、K、又はこれらの組み合わせから選択されるアルカリ金属アノード及びアノードを支持する任意選択のアノード集電体を提供する工程と、(c)アノードとカソードに接触する電解質及びアノードとカソードを電気的に分離する任意選択のセパレータを提供する工程とを含み、この場合に、カソードは、硫黄含有材料の複数の微粒子を含み、微粒子の少なくとも1つは、添加剤又は補強材なしで測定した場合に10%~700%の回復可能な引張り歪み(より一般的には30%~300%)、室温で10-5S/cm以上のリチウムイオン伝導率(典型的には1×10-5S/cm~5×10-2S/cm)、及び0.5nm~10μm(好ましくは1nm~1μm、より好ましくは1nm~100nm、最も好ましくは1nm~10nm)の厚さを有する高弾性ポリマーの薄層によって包まれる又はカプセル化される1つ以上の硫黄含有材料粒子からなる。 The present invention also provides a method of manufacturing a rechargeable alkali metal-sulfur cell. The method includes (a) providing a cathode and an optional cathode current collector supporting the cathode; and (b) an alkali metal anode selected from Li, Na, K, or combinations thereof and supporting the anode. (c) providing an electrolyte in contact with the anode and cathode and an optional separator electrically separating the anode and cathode, wherein: The cathode includes a plurality of microparticles of a sulfur-containing material, at least one of the microparticles having a recoverable tensile strain of 10% to 700% (more typically 30%) when measured without additives or reinforcements. 300%), lithium ion conductivity of 10 −5 S/cm or higher at room temperature (typically 1×10 −5 S/cm to 5×10 −2 S/cm), and 0.5 nm to 10 μm ( It consists of one or more sulfur-containing material particles wrapped or encapsulated by a thin layer of highly elastic polymer having a thickness of preferably 1 nm to 1 μm, more preferably 1 nm to 100 nm, most preferably 1 nm to 10 nm).
上記製造方法において、硫黄含有材料は、好ましくは、硫黄-炭素ハイブリッド、硫黄-黒鉛ハイブリッド、硫黄-グラフェンハイブリッド、導電性ポリマー-硫黄ハイブリッド、金属スルフィド、硫黄化合物、又はこれらの組み合わせから選択される。硫黄-炭素ハイブリッド、硫黄-黒鉛ハイブリッド、硫黄-グラフェンハイブリッド、又は導電性ポリマー-硫黄ハイブリッドは、混合物、ブレンド、複合体、或いは硫黄又は硫化物と、炭素、黒鉛、グラフェン、又は導電性ポリマー材料との化学的又は物理的に結合した物体である。 In the above manufacturing method, the sulfur-containing material is preferably selected from sulfur-carbon hybrids, sulfur-graphite hybrids, sulfur-graphene hybrids, conductive polymer-sulfur hybrids, metal sulfides, sulfur compounds, or combinations thereof. A sulfur-carbon hybrid, sulfur-graphite hybrid, sulfur-graphene hybrid, or conductive polymer-sulfur hybrid is a mixture, blend, composite, or combination of sulfur or sulfide and carbon, graphite, graphene, or conductive polymer material. It is an object that is chemically or physically bound together.
本発明の製造方法において、高弾性ポリマーは、ポリマー鎖の架橋ネットワークにおいて、エーテル結合、ニトリル由来結合、過酸化ベンゾイル由来結合、エチレンオキシド結合、プロピレンオキシド結合、ビニルアルコール結合、シアノ-樹脂結合、トリアクリレートモノマー由来結合、テトラアクリレートモノマー由来結合、又はこれらの組み合わせを有するポリマー鎖の前述の架橋ネットワークを含む。好ましくは、高弾性ポリマーは、ニトリル含有ポリビニルアルコール鎖、シアノ樹脂鎖、ペンタエリスリトールテトラアクリレート鎖、ペンタエリスリトールトリアクリレート鎖、エトキシ化トリメチロールプロパントリアクリレート(ETPTA)鎖、エチレングリコールメチルエーテルアクリレート(EGMEA)鎖、又はこれらの組み合わせから選択されるポリマー鎖の架橋ネットワークを含む。 In the production method of the present invention, the highly elastic polymer has ether bonds, nitrile-derived bonds, benzoyl peroxide-derived bonds, ethylene oxide bonds, propylene oxide bonds, vinyl alcohol bonds, cyano-resin bonds, and triacrylate bonds in the crosslinked network of polymer chains. including the aforementioned crosslinked networks of polymer chains having monomer-derived linkages, tetraacrylate monomer-derived linkages, or combinations thereof. Preferably, the high modulus polymer is a nitrile-containing polyvinyl alcohol chain, a cyano resin chain, a pentaerythritol tetraacrylate chain, a pentaerythritol triacrylate chain, an ethoxylated trimethylolpropane triacrylate (ETPTA) chain, an ethylene glycol methyl ether acrylate (EGMEA) chain. chains, or a cross-linked network of polymer chains selected from combinations thereof.
製造方法において、複数の微粒子を提供する操作は、パンコーティング、エアサスペンション、遠心押し出し、振動ノズル、噴霧乾燥、超音波噴霧、コアセルベーション相分離、界面重縮合、その場重合、マトリックス重合、又はこれらの組み合わせから選択される手順を使用して、高弾性ポリマーの前述の薄層で1つ以上の硫黄含有材料粒子をカプセル化する又は包むことを含み得る。 In the manufacturing method, the operations providing a plurality of microparticles include pan coating, air suspension, centrifugal extrusion, vibrating nozzle, spray drying, ultrasonic atomization, coacervation phase separation, interfacial polycondensation, in situ polymerization, matrix polymerization, or It may include encapsulating or wrapping one or more sulfur-containing material particles with the aforementioned thin layer of high modulus polymer using a procedure selected from a combination of these.
いくつかの実施形態では、複数の微粒子を提供する操作は、エラストマーを有する前述の高弾性ポリマー、導電性ポリマー、リチウムイオン伝導性材料、補強材、又はこれらの組み合わせの混合物で前述の1つ以上の硫黄含有材料粒子をカプセル化する又は包むことを含む。好ましくは、リチウムイオン伝導性材料は、前述の高弾性ポリマーに分散され、Li2CO3、Li2O、Li2C2O4、LiOH、LiX、ROCO2Li、HCOLi、ROLi、(ROCO2Li)2、(CH2OCO2Li)2、Li2S、LixSOy、又はこれらの組み合わせから選択され、この場合に、X=F、Cl、I、又はBr、R=炭化水素基、x=0~1、y=1~4である。 In some embodiments, the operation of providing a plurality of microparticles comprises one or more of the foregoing in a mixture of the foregoing high modulus polymers with elastomers, conductive polymers, lithium ion conductive materials, reinforcements, or combinations thereof. encapsulating or wrapping the sulfur-containing material particles. Preferably, the lithium ion conductive material is dispersed in the above-mentioned high modulus polymers, such as Li 2 CO 3 , Li 2 O, Li 2 C 2 O 4 , LiOH, LiX, ROCO 2 Li, HCOLi, ROLi, (ROCO 2 Li) 2 , (CH 2 OCO 2 Li) 2 , Li 2 S, Li x SO y , or a combination thereof, where X=F, Cl, I, or Br, R=hydrocarbon group , x=0-1, y=1-4.
特定の実施形態では、リチウムイオン伝導性材料は、前述の高弾性ポリマーに分散され、過塩素酸リチウム、LiClO4、ヘキサフルオロリン酸リチウム、LiPF6、ホウフッ化リチウム、LiBF4、六フッ化ヒ化リチウム、LiAsF6、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、LiCF3SO3、ビス-トリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム、LiN(CF3SO2)2、リチウムビス(オキサラト)ボレート、LiBOB、リチウムオキサリルジフルオロボレート、LiBF2C2O4、リチウムオキサリルジフルオロボレート、LiBF2C2O4、硝酸リチウム、LiNO3、Li-フルオロアルキル-リン酸、LiPF3(CF2CF3)3、リチウムビスベルフルオロ-エチルスルホニルイミド、LiBETI、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド、リチウムトリフルオロメタンスルホンイミド、LiTFSI、イオン液体系リチウム塩、又はこれらの組み合わせから選択される。 In certain embodiments, the lithium ion conductive material is dispersed in the high modulus polymers described above, including lithium perchlorate, LiClO 4 , lithium hexafluorophosphate, LiPF 6 , lithium borofluoride, LiBF 4 , hexafluorocarbon, etc. Lithium oxide, LiAsF 6 , lithium trifluoromethanesulfonate, LiCF 3 SO 3 , lithium bis-trifluoromethylsulfonylimide, LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , lithium bis(oxalato)borate, LiBOB, lithium oxalyl difluoroborate, LiBF 2 C 2 O 4 , Lithium oxalyl difluoroborate, LiBF 2 C 2 O 4 , Lithium nitrate, LiNO 3 , Li-fluoroalkyl-phosphoric acid, LiPF 3 (CF 2 CF 3 ) 3 , Lithium bisberfluoro-ethylsulfonylimide , LiBETI, lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, lithium bis(fluorosulfonyl)imide, lithium trifluoromethanesulfonimide, LiTFSI, ionic liquid-based lithium salts, or combinations thereof.
本Li-Sセルでは、硫黄カソードの可逆的比容量は、典型的には且つ好ましくは、グラム当たり1000mAh以上であり、多くの場合にカソード層全体のグラム当たり1200mAh又は1500mAhさえ超える。本発明のカソードの高い比容量は、リチウムアノードと組み合わせると、典型的には、アノード、カソード、電解質、セパレータ、及び集電体を含む合わせた総セル重量に基づいて、400Wh/kgを大幅に超えるセル比エネルギーをもたらす。この特定のエネルギー値は、カソード活物質の重量又はカソード層の重量のみに基づいていなく(公開文献又は特許出願で行われることがあった)、代わりに、これはセルの重量全体に基づいている。多くの場合、セル固有エネルギーは500Wh/kgより高く、一部の例では600Wh/kgを超える。 In the present Li-S cells, the reversible specific capacity of the sulfur cathode is typically and preferably greater than 1000 mAh per gram, and often exceeds 1200 mAh or even 1500 mAh per gram of the entire cathode layer. The high specific capacity of the cathode of the present invention, when combined with a lithium anode, typically significantly exceeds 400 Wh/kg, based on the combined total cell weight including anode, cathode, electrolyte, separator, and current collector. yielding a cell specific energy exceeding This particular energy value is not based solely on the weight of the cathode active material or the weight of the cathode layer (as was sometimes done in published literature or patent applications); instead, it is based on the entire weight of the cell. . In many cases, the cell specific energy is higher than 500 Wh/kg, and in some cases exceeds 600 Wh/kg.
本発明は又、リチウム-硫黄セル、ナトリウム-硫黄セル、又はカリウム-硫黄セルから選択される充電式アルカリ金属-硫黄セルを製造する別の方法を提供する。この方法は、(a)アノード活物質層及びアノード活物質層を支持する任意選択のアノード集電体を含むアノードを提供する工程と、(b)高弾性ポリマーで保護され覆われたカソード活物質層を含むカソードを提供する工程と、(c)アノード活物質層及びカソード活物質層とイオン接触する任意選択の多孔質セパレータ層を電解質に提供する工程と、(d)アノード、カソード、及び電解質を組み合わせて電池ユニットを形成し、電池ユニットを保護筐体に入れて充電式アルカリ金属-硫黄セルを形成する工程とを含む。 The present invention also provides another method of manufacturing a rechargeable alkali metal-sulfur cell selected from a lithium-sulfur cell, a sodium-sulfur cell, or a potassium-sulfur cell. The method includes the steps of: (a) providing an anode including an anode active material layer and an optional anode current collector supporting the anode active material layer; and (b) a cathode active material protected and covered with a high modulus polymer. (c) providing an electrolyte with an optional porous separator layer in ion contact with the anode active material layer and the cathode active material layer; and (d) the anode, the cathode, and the electrolyte. forming a battery unit, and placing the battery unit in a protective housing to form a rechargeable alkali metal-sulfur cell.
又、リチウム-硫黄セル、ナトリウム-硫黄セル、又はカリウム-硫黄セルから選択される充電式アルカリ金属-硫黄セルを製造する方法が提供される。この方法は、(a)アノード活物質層及びアノード活物質層を支持する任意選択のアノード集電体を含むアノードを提供する工程と、(b)任意選択によりカソード集電体に支持されたカソード活物質層を含むカソードを提供する工程と、(c)アノード活物質層及びカソード活物質層とイオン接触する多孔質セパレータ層及び電解質を提供する工程と、(d)カソード活物質層とセパレータの間に高弾性ポリマーの層を実装する工程とを含む。この高弾性ポリマーは、添加剤又は補強材なしで測定した場合に10%以上の回復可能な引張り歪み、室温で10-5S/cm以上のリチウムイオン伝導率、及び0.5nm~10μmの厚さを有する。この層は、カソードに溶解した硫黄又は金属ポリスルフィド(例えば、リチウムポリスルフィド又はナトリウムポリスルフィド)の拡散がアノード側に移動するのを防ぐ働きをする。これにより、シャトル効果が効果的に低減又は排除される。 Also provided is a method of manufacturing a rechargeable alkali metal-sulfur cell selected from a lithium-sulfur cell, a sodium-sulfur cell, or a potassium-sulfur cell. The method includes the steps of: (a) providing an anode comprising an anode active material layer and an optional anode current collector supporting the anode active material layer; and (b) optionally a cathode supported by the cathode current collector. (c) providing a porous separator layer and an electrolyte in ion contact with the anode active material layer and the cathode active material layer; (d) providing a cathode active material layer and a separator; and implementing a layer of high modulus polymer in between. This highly modulus polymer has a recoverable tensile strain of greater than 10% when measured without additives or reinforcements, a lithium ion conductivity of greater than 10 −5 S/cm at room temperature, and a thickness of 0.5 nm to 10 μm. It has a certain quality. This layer serves to prevent the diffusion of sulfur or metal polysulfides (eg lithium polysulfide or sodium polysulfide) dissolved in the cathode from migrating to the anode side. This effectively reduces or eliminates the shuttle effect.
本発明のこれら及び他の利点及び特徴は、以下の最良の形態の実施及び例示的な例の説明によってより明らかになるであろう。 These and other advantages and features of the invention will become more apparent from the following description of the best mode implementation and illustrative examples.
便宜上、好ましい実施形態の以下の考察は、主にLi-Sセルに基づいているが、同じ又は類似の化合物、構造及び方法が、Na-S及びK-Sセルに適用可能である。Li-Sセル、室温のNa-Sセル、K-Sセルの例を示す。 For convenience, the following discussion of preferred embodiments is primarily based on Li-S cells, but the same or similar compounds, structures and methods are applicable to Na-S and KS cells. Examples of a Li-S cell, a room temperature Na-S cell, and a KS cell are shown.
A.アルカリ金属-硫黄セル(例としてリチウム-硫黄セルを使用)
Li-Sセル(又はNa-S、又はK-Sセル)の比容量及び比エネルギーは、カソード活性層に実装できる硫黄の実際の量(他の非活性成分と比較して、バインダー樹脂及び導電性フィラーなど)、並びにこの硫黄量の利用効率(即ち、カソード活物質の利用効率又はリチウムイオンの貯蔵と放出に積極的に関与するSの実際の比率)によって決まる。Li-Sセルを例示的な例として使用すると、高容量及び高エネルギーのLi-Sセルは、カソード活性層における大量のS(即ち、バインダー樹脂、導電性添加剤、及びその他の改質又は支持材料などの非活性材料の量に対して)並びに高いS利用効率を必要とする。本発明は、このようなカソード活性層、その構成粉末塊生成物、得られたLi-Sセル、並びにこのようなカソード活性層及び電池を製造する方法を提供する。
A. Alkali metal-sulfur cell (use lithium-sulfur cell as an example)
The specific capacity and specific energy of a Li-S cell (or Na-S, or K-S cell) are determined by the actual amount of sulfur that can be implemented in the cathode active layer (compared to other non-active components, binder resin and conductive fillers), as well as the utilization efficiency of this amount of sulfur (ie, the utilization efficiency of the cathode active material or the actual proportion of S actively participating in the storage and release of lithium ions). Using Li-S cells as an illustrative example, high-capacity and high-energy Li-S cells contain a large amount of S (i.e., binder resins, conductive additives, and other modifications or supports) in the cathode active layer. (relative to the amount of non-active materials such as carbon dioxide) as well as high S utilization efficiency. The present invention provides such cathode active layers, their constituent powder mass products, the resulting Li-S cells, and methods of making such cathode active layers and cells.
アルカリ金属-硫黄セルは、(a)アノード活物質層及びアノード活物質層を支持する任意選択のアノード集電体と、(b)カソード活物質層及びカソード活物質層を支持する任意選択のカソード集電体と、(c)アノード活物質層及びカソード活物質層とイオン接触する任意選択の多孔質セパレータ層を有する電解質とを含み、この場合に、カソード活物質層は、硫黄-炭素ハイブリッド、硫黄-黒鉛ハイブリッド、硫黄-グラフェンハイブリッド、導電性ポリマー-硫黄ハイブリッド、金属スルフィド、硫黄化合物、又はこれらの組み合わせから選択される硫黄含有材料の複数の微粒子を含み、粒子の少なくとも1つは、添加剤又は補強材なしで測定した場合に10%以上の回復可能な引張り歪み、10-5S/cm以上のリチウムイオン伝導率(典型的には、室温で測定される10-5S/cm~5×10-2S/cm)、及び0.5nm~10μmの厚さ(典型的には1nm~1μmであるが、好ましくは<100nm、より好ましくは<10nm)を有する高弾性ポリマーの薄層によって包まれている又はカプセル化されている1つ以上の硫黄含有材料粒子からなる。 The alkali metal-sulfur cell comprises (a) an anode active material layer and an optional anode current collector supporting the anode active material layer; and (b) a cathode active material layer and an optional cathode supporting the cathode active material layer. (c) an electrolyte having an optional porous separator layer in ion contact with the anode active material layer and the cathode active material layer, where the cathode active material layer comprises a sulfur-carbon hybrid; a plurality of microparticles of a sulfur-containing material selected from a sulfur-graphite hybrid, a sulfur-graphene hybrid, a conductive polymer-sulfur hybrid, a metal sulfide, a sulfur compound, or a combination thereof, at least one of the particles being an additive; or recoverable tensile strain of 10% or more when measured without reinforcement, lithium ion conductivity of 10 -5 S/cm or more (typically 10 -5 S/cm to 5 measured at room temperature) ×10 −2 S/cm) and a thickness of 0.5 nm to 10 μm (typically 1 nm to 1 μm, but preferably <100 nm, more preferably <10 nm). Consisting of one or more sulfur-containing material particles that are wrapped or encapsulated.
硫黄-炭素ハイブリッド、硫黄-黒鉛ハイブリッド、硫黄-グラフェンハイブリッド、又は導電性ポリマー-硫黄ハイブリッドは、混合物、ブレンド、複合体、或いは硫黄又は硫化物と、炭素、黒鉛、グラフェン、又は導電性ポリマー材料との化学的又は物理的に結合した物体であり得る。例えば、硫黄-グラフェンハイブリッドは、ボールミル粉砕によって調製された硫黄とグラフェンの単純な混合物(粒子形態で)であり得る。このようなハイブリッドは、酸化グラフェンシートなどの表面に結合した硫黄を含み得る。別の例として、硫黄-炭素ハイブリッドは、硫黄とカーボンナノチューブの単純な混合物(粒子形態で)であり得る、又は活性炭粒子の細孔に存在する硫黄を含み得る。 A sulfur-carbon hybrid, sulfur-graphite hybrid, sulfur-graphene hybrid, or conductive polymer-sulfur hybrid is a mixture, blend, composite, or combination of sulfur or sulfide and carbon, graphite, graphene, or conductive polymer material. may be chemically or physically bound objects. For example, a sulfur-graphene hybrid can be a simple mixture of sulfur and graphene (in particle form) prepared by ball milling. Such hybrids may include sulfur bound to a surface such as a graphene oxide sheet. As another example, the sulfur-carbon hybrid can be a simple mixture of sulfur and carbon nanotubes (in particle form), or can include sulfur present in the pores of activated carbon particles.
本発明の充電式アルカリ金属-硫黄セルでは、高弾性ポリマーは、ポリマー鎖の架橋ネットワークにおいて、エーテル結合、ニトリル由来結合、過酸化ベンゾイル由来結合、エチレンオキシド結合、プロピレンオキシド結合、ビニルアルコール結合、シアノ-樹脂結合、トリアクリレートモノマー由来結合、テトラアクリレートモノマー由来結合、又はこれらの組み合わせを有するポリマー鎖の前述の架橋ネットワークを含み得る。いくつかの好ましい実施形態では、好ましくは、高弾性ポリマーは、ニトリル含有ポリビニルアルコール鎖、シアノ樹脂鎖、ペンタエリスリトールテトラアクリレート鎖、ペンタエリスリトールトリアクリレート鎖、エトキシ化トリメチロールプロパントリアクリレート(ETPTA)鎖、エチレングリコールメチルエーテルアクリレート(EGMEA)鎖、又はこれらの組み合わせから選択されるポリマー鎖の架橋ネットワークを含む。 In the rechargeable alkali metal-sulfur cell of the present invention, the highly elastic polymer has ether bonds, nitrile-derived bonds, benzoyl peroxide-derived bonds, ethylene oxide bonds, propylene oxide bonds, vinyl alcohol bonds, cyano- It may include the aforementioned crosslinked networks of polymer chains having resin bonds, triacrylate monomer-derived bonds, tetraacrylate monomer-derived bonds, or combinations thereof. In some preferred embodiments, the high modulus polymer preferably comprises nitrile-containing polyvinyl alcohol chains, cyano resin chains, pentaerythritol tetraacrylate chains, pentaerythritol triacrylate chains, ethoxylated trimethylolpropane triacrylate (ETPTA) chains, It comprises a cross-linked network of polymer chains selected from ethylene glycol methyl ether acrylate (EGMEA) chains, or combinations thereof.
充電式アルカリ金属-硫黄セルにおいて、金属スルフィドはMxSyで表される材料を含み得、xは1~3の整数であり、yは1~10の整数であり、Mは、アルカリ金属、Mg又はCaから選択されるアルカリ金属、遷移金属、周期表の13~17族の金属、又はこれらの組み合わせから選択される金属元素である。好ましくは、金属元素Mは、Li、Na、K、Mg、Zn、Cu、Ti、Ni、Co、Fe、又はAlから選択される。いくつかの好ましい実施形態では、カソード層の金属スルフィドは、Li2S1、Li2S2、Li2S3、Li2S4、Li2S5、Li2S6、Li2S7、Li2S8、Li2S9、Li2S10、Na2S1、Na2S2、Na2S3、Na2S4、Na2S5、Na2S6、Na2S7、Na2S8、Na2S9、Na2S10、K2S1、K2S2、K2S3、K2S4、K2S5、K2S6、K2S7、K2S8、K2S9、又はK2S10を含む。 In a rechargeable alkali metal-sulfur cell, the metal sulfide may include a material represented by M x S y , where x is an integer from 1 to 3, y is an integer from 1 to 10, and M is an alkali metal , Mg or Ca, a transition metal, a metal from groups 13 to 17 of the periodic table, or a combination thereof. Preferably, the metal element M is selected from Li, Na, K, Mg, Zn, Cu, Ti, Ni, Co, Fe, or Al. In some preferred embodiments, the metal sulfide of the cathode layer is Li2S1 , Li2S2 , Li2S3 , Li2S4 , Li2S5 , Li2S6 , Li2S7 , Li2S8 , Li2S9 , Li2S10 , Na2S1 , Na2S2 , Na2S3 , Na2S4 , Na2S5 , Na2S6 , Na2S7 , Na2S8 , Na2S9 , Na2S10 , K2S1 , K2S2 , K2S3 , K2S4 , K2S5 , K2S6 , K2S7 , Contains K 2 S 8 , K 2 S 9 , or K 2 S 10 .
充電式アルカリ金属-硫黄セルでは、カソード活物質層の炭素又は黒鉛材料は、メソフェーズピッチ、メソフェーズカーボン、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、コークス粒子、膨張黒鉛フレーク、人工黒鉛粒子、天然黒鉛粒子、高配向熱分解黒鉛、軟質炭素粒子、硬質炭素粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、炭素繊維、黒鉛ナノファイバー、黒鉛繊維、炭化ポリマーファイバー、活性炭、カーボンブラック、又はこれらの組み合わせから選択されることができる。グラフェンは、純粋なグラフェン、酸化グラフェン、還元グラフェン酸化物(RGO)、フッ化グラフェン、窒素化グラフェン、水素化グラフェン、ドープトグラフェン、官能化グラフェン、又はこれらの組み合わせから選択することができる。 In rechargeable alkali metal-sulfur cells, the carbon or graphite material of the cathode active material layer can be mesophase pitch, mesophase carbon, mesocarbon microbeads (MCMB), coke particles, expanded graphite flakes, artificial graphite particles, natural graphite particles, high Can be selected from oriented pyrolytic graphite, soft carbon particles, hard carbon particles, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon fibers, graphite nanofibers, graphite fibers, carbonized polymer fibers, activated carbon, carbon black, or combinations thereof. . Graphene can be selected from pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide (RGO), fluorinated graphene, nitrogenated graphene, hydrogenated graphene, doped graphene, functionalized graphene, or combinations thereof.
導電性ポリマー-硫黄ハイブリッドは、好ましくは、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、二環式ポリマー、これらのスルホン化誘導体、又はこれらの組み合わせから選択される本質的に導電性のポリマーを含み得る。これは、硫黄又は金属スルフィドと導電性ポリマーの単純な混合物であり得る。 The conductive polymer-sulfur hybrid may preferably comprise an inherently conductive polymer selected from polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyfuran, bicyclic polymers, sulfonated derivatives thereof, or combinations thereof. This can be a simple mixture of sulfur or metal sulfide and a conductive polymer.
特定の実施形態では、高弾性ポリマーは、0.1重量%~50重量%のその中に分散されたリチウムイオン伝導性添加剤を含む、又はカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラフェン、又はこれらの組み合わせから選択される0.1重量%~10重量%の補強ナノフィラメントをその中に含む。リチウムイオン伝導性添加剤は複合体を形成し、この場合に、前述のリチウムイオン伝導性添加剤は、前述の高弾性ポリマーに分散され、Li2CO3、Li2O、Li2C2O4、LiOH、LiX、ROCO2Li、HCOLi、ROLi、(ROCO2Li)2、(CH2OCO2Li)2、Li2S、LixSOy、又はこれらの組み合わせから選択され、この場合に、X=F、Cl、I、又はBr、R=炭化水素基、x=0~1、y=1~4である。 In certain embodiments, the high modulus polymer comprises from 0.1% to 50% by weight of a lithium ion conductive additive dispersed therein, or carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene, or combinations thereof. 0.1% to 10% by weight of reinforcing nanofilaments selected from. The lithium ion conductive additive forms a composite, in which the aforementioned lithium ion conductive additive is dispersed in the aforementioned high modulus polymer and contains Li 2 CO 3 , Li 2 O, Li 2 C 2 O 4 , LiOH, LiX, ROCO2Li , HCOLi, ROLi, ( ROCO2Li ) 2 , ( CH2OCO2Li) 2 , Li2S , LixSOy , or a combination thereof , in which case , X=F, Cl, I, or Br, R=hydrocarbon group, x=0-1, y=1-4.
リチウムイオン伝導性添加剤は、高弾性ポリマーに分散され得、過塩素酸リチウム、LiClO4、ヘキサフルオロリン酸リチウム、LiPF6、ホウフッ化リチウム、LiBF4、六フッ化ヒ化リチウム、LiAsF6、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、LiCF3SO3、ビス-トリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム、LiN(CF3SO2)2、リチウムビス(オキサラト)ボレート、LiBOB、リチウムオキサリルジフルオロボレート、LiBF2C2O4、リチウムオキサリルジフルオロボレート、LiBF2C2O4、硝酸リチウム、LiNO3、Li-フルオロアルキル-リン酸、LiPF3(CF2CF3)3、リチウムビスベルフルオロ-エチルスルホニルイミド、LiBETI、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド、リチウムトリフルオロメタンスルホンイミド、LiTFSI、イオン液体系リチウム塩、又はこれらの組み合わせから選択されることができる。 Lithium ion conductive additives can be dispersed in high modulus polymers, such as lithium perchlorate, LiClO4 , lithium hexafluorophosphate, LiPF6 , lithium borofluoride, LiBF4 , lithium hexafluorarsenide, LiAsF6 , Lithium trifluoromethanesulfonate, LiCF 3 SO 3 , lithium bis-trifluoromethylsulfonylimide, LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , lithium bis(oxalato)borate, LiBOB, lithium oxalyl difluoroborate, LiBF 2 C 2 O 4 , Lithium oxalyl difluoroborate, LiBF 2 C 2 O 4 , Lithium nitrate, LiNO 3 , Li-fluoroalkyl-phosphoric acid, LiPF 3 (CF 2 CF 3 ) 3 , Lithium bisberfluoro-ethylsulfonylimide, LiBETI, Lithium bis( It can be selected from trifluoromethanesulfonyl)imide, lithium bis(fluorosulfonyl)imide, lithium trifluoromethanesulfonimide, LiTFSI, ionic liquid-based lithium salts, or combinations thereof.
高弾性ポリマーとは、一軸引張りで測定した場合(ポリマーに添加剤又は補強材がない)に少なくとも10%の弾性変形を示すポリマー、典型的には軽度に架橋したポリマーを指す。材料科学及び工学の分野では、「弾性変形」とは、本質的に完全に回復可能であり、回復は負荷の解放時に本質的に瞬間である材料の変形(機械的応力を受ける場合)として定義される。弾性変形は、好ましくは30%より大きく、より好ましくは50%より大きく、更により好ましくは100%より大きく、更により好ましくは150%より大きく、最も好ましくは200%より大きい。高容量ポリマーの好ましい種類については後で説明する。 Highly modulus polymer refers to a polymer, typically a lightly crosslinked polymer, that exhibits an elastic deformation of at least 10% when measured in uniaxial tension (no additives or reinforcements in the polymer). In the field of materials science and engineering, "elastic deformation" is defined as a deformation of a material (when subjected to mechanical stress) that is fully recoverable in nature and where recovery is essentially instantaneous upon release of the load. be done. The elastic deformation is preferably greater than 30%, more preferably greater than 50%, even more preferably greater than 100%, even more preferably greater than 150%, and most preferably greater than 200%. Preferred types of high capacity polymers are discussed below.
図4に示すように、本発明は、高容量ポリマーでカプセル化されたカソード活物質粒子の4つの主要な種類の微粒子を提供する。第1は、高容量ポリマーシェル12でカプセル化されたカソード活物質コア10(例えば、硫黄-CNT混合物の粒子)を含む単一粒子微粒子である。第2は、高容量ポリマー16でカプセル化されている、任意選択により他の活物質(例えば、黒鉛又は硬質炭素の粒子、図示せず)又は導電性添加剤とともに、複数のカソード活物質粒子14(例えば、硫黄-グラフェン混合物、硫黄-カーボンブラック混合物の粒子、Sが含浸された細孔を有する活性炭粒子、ポリスルフィドリチウム粒子等)を含む複数粒子微粒子である。第3は、炭素又はグラフェン層20(又は他の導電性材料)でコーティングされ、更に高弾性ポリマー22でカプセル化されたカソード活物質コア18を含む単一粒子微粒子である。第4は、高弾性ポリマーシェル28でカプセル化されている、任意選択により他の活物質(例えば、黒鉛又は硬質炭素の粒子、図示せず)又は導電性添加剤とともに、導電保護層26(炭素、グラフェン等)でコーティングされた複数のカソード活物質粒子24を含む複数粒子微粒子である。これらのカソード活物質粒子は、純粋な硫黄の代わりに、硫黄化合物、金属ポリスルフィド等に基づくことができる
As shown in FIG. 4, the present invention provides four major types of microparticles of high capacity polymer encapsulated cathode active material particles. The first is a single particle microparticle that includes a cathode active material core 10 (eg, a particle of a sulfur-CNT mixture) encapsulated with a high
図3の上部に概略的に示されているように、硫黄系粒子は、大容量ポリマーシェルによってカプセル化されて、コア-シェル構造(この例では硫黄コアとポリマーシェル)を形成することができる。リチウム-硫黄電池が放電されると、カソード活物質(例えば、高容量ポリマーでカプセル化されたS/CNT粒子の硫黄)がリチウムイオンと反応して体積が膨張するポリスルフィドリチウムを形成する。カプセル化シェル(高容量ポリマー)の高い弾性により、シェルはセグメントに分割されることはない(破損したカーボンシェルとは対照的に)。高容量ポリマーシェルが無傷のままであるため、下にあるリチウムスルフィドが電解質に曝されるのを防止し、従って電池の繰り返し充電/放電中にリチウムスルフィドが電解質に溶解するのを防止する。この戦略は、リチウムと反応し、カソードに戻ることができないアノード側へのポリスルフィドリチウムの継続的な移動を防止する(シャトル効果)。このシャトル効果は、主に従来のLi-S、Na-S、又はK-Sセルの継続的な容量減衰の原因である。 As shown schematically at the top of Figure 3, sulfur-based particles can be encapsulated by a bulk polymer shell to form a core-shell structure (in this example a sulfur core and a polymer shell). . When a lithium-sulfur cell is discharged, the cathode active material (eg, the sulfur of S/CNT particles encapsulated in a high capacity polymer) reacts with lithium ions to form polysulfide lithium, which expands in volume. Due to the high elasticity of the encapsulation shell (high capacity polymer), the shell does not split into segments (in contrast to a broken carbon shell). The high capacity polymer shell remains intact, preventing the underlying lithium sulfide from being exposed to the electrolyte, thus preventing it from dissolving into the electrolyte during repeated charging/discharging of the battery. This strategy prevents the continued migration of polysulfide lithium to the anode side where it cannot react with lithium and return to the cathode (shuttle effect). This shuttle effect is primarily responsible for the continuous capacity decay of conventional Li-S, Na-S, or KS cells.
或いは、図3の下部を参照すると、リチウムスルフィドがカソード活物質として使用される。高容量ポリマーの層をリチウムポリスルフィド粒子の周りにカプセル化して、コア-シェル構造を形成することができる。Li-S電池が充電され、リチウムイオンがカソードから放出されると、カソード活物質粒子が収縮する。しかしながら、高容量ポリマーは、共形の様式で弾性収縮することができ、従って、保護シェルと硫黄の間に隙間はない。このような構成は、その後の硫黄とのリチウムの反応の影響を受けやすい。高容量ポリマーシェルは、カプセル化されたコアカソード活物質粒子の膨張と収縮に合わせて膨張及び収縮し、リチウム電池の長期サイクル安定性を可能にする。 Alternatively, referring to the bottom of FIG. 3, lithium sulfide is used as the cathode active material. A layer of high capacity polymer can be encapsulated around the lithium polysulfide particles to form a core-shell structure. When a Li-S battery is charged and lithium ions are released from the cathode, the cathode active material particles contract. However, high capacity polymers can elastically contract in a conformal manner, so there is no gap between the protective shell and the sulfur. Such configurations are susceptible to subsequent reactions of lithium with sulfur. The high capacity polymer shell expands and contracts with the expansion and contraction of the encapsulated core cathode active material particles, enabling long-term cycle stability of the lithium battery.
B.高弾性ポリマー
好ましくは且つ典型的には、高容量ポリマーは、10-5S/cm以上、より好ましくは10-4S/cm以上、更に好ましくは10-3S/cm以上、最も好ましくは10-2S/cm以上のリチウムイオン伝導性を有する。いくつかの実施形態では、高容量ポリマーは、添加剤又は充填剤がその中に分散されていない純粋なポリマーである。他の実施形態では、高容量ポリマーは、高容量ポリマーマトリックス材料に分散されたリチウムイオン伝導性添加剤を0.1重量%~50重量%(好ましくは1重量%~35重量%)含むポリマーマトリックス複合体である。高容量ポリマーには、高い弾性を有する必要がある(弾性変形歪み値>10%)。弾性変形は、完全に回復可能な変形であり、回復プロセスは本質的に瞬間的である(大きな時間遅延はない)。高容量ポリマーは、10%~1,000%まで(元の長さの10倍)、より典型的には10%~800%、更により典型的には50%~500%、最も典型的には且つ望ましくは70%~300%の弾性変形を示し得る。典型的には、金属は高い延性を有する(即ち、破損することなく大幅に拡張できる)が、変形の大部分は、塑性変形(回復不能)であり、わずかな量の弾性変形(典型的には<1%、より典型的には<0.2%)である。
B. High Modulus Polymers Preferably and typically, the high capacity polymers have a modulus of at least 10 −5 S/cm, more preferably at least 10 −4 S/cm, even more preferably at least 10 −3 S/cm, and most preferably at least 10 -2 S/cm or higher lithium ion conductivity. In some embodiments, the high capacity polymer is a pure polymer with no additives or fillers dispersed therein. In other embodiments, the high capacity polymer comprises a polymer matrix comprising 0.1% to 50% (preferably 1% to 35%) by weight of a lithium ion conductive additive dispersed in the high capacity polymeric matrix material. It is a complex. High capacity polymers need to have high elasticity (elastic deformation strain value >10%). Elastic deformation is a fully recoverable deformation, and the recovery process is essentially instantaneous (no significant time delay). High capacity polymers range from 10% to 1,000% (10 times original length), more typically 10% to 800%, even more typically 50% to 500%, most typically and desirably exhibit an elastic deformation of 70% to 300%. Typically, metals have high ductility (i.e., can be expanded significantly without breaking), but the majority of the deformation is plastic (non-recoverable), with only a small amount of elastic deformation (typically <1%, more typically <0.2%).
いくつかの好ましい実施形態では、高弾性ポリマーは、ポリマー鎖の架橋ネットワークにおいて、エーテル結合、ニトリル由来結合、過酸化ベンゾイル由来結合、エチレンオキシド結合、プロピレンオキシド結合、ビニルアルコール結合、シアノ-樹脂結合、トリアクリレートモノマー由来結合、テトラアクリレートモノマー由来結合、又はこれらの組み合わせを有する、軽度に架橋したネットワークポリマー鎖を含む。これらのネットワーク又は架橋ポリマーは、高弾性(高弾性変形歪み)及び高リチウムイオン伝導性の特異的な組み合わせを示す。 In some preferred embodiments, the high modulus polymer has ether linkages, nitrile-derived linkages, benzoyl peroxide-derived linkages, ethylene oxide linkages, propylene oxide linkages, vinyl alcohol linkages, cyano-resin linkages, tri- Includes lightly cross-linked network polymer chains having linkages derived from acrylate monomers, tetraacrylate monomer-derived linkages, or combinations thereof. These networks or crosslinked polymers exhibit a unique combination of high elasticity (high elastic deformation strain) and high lithium ion conductivity.
特定の好ましい実施形態では、高弾性ポリマーは、ニトリル含有ポリビニルアルコール鎖、シアノ樹脂鎖、ペンタエリスリトールテトラアクリレート(PETEA)鎖、ペンタエリスリトールトリアクリレート鎖、エトキシ化トリメチロールプロパントリアクリレート(ETPTA)鎖、エチレングリコールメチルエーテルアクリレート(EGMEA)鎖、又はこれらの組み合わせから選択される軽度に架橋したネットワークポリマー鎖を含む。 In certain preferred embodiments, the high modulus polymers include nitrile-containing polyvinyl alcohol chains, cyano resin chains, pentaerythritol tetraacrylate (PETEA) chains, pentaerythritol triacrylate chains, ethoxylated trimethylolpropane triacrylate (ETPTA) chains, ethylene It comprises lightly crosslinked network polymer chains selected from glycol methyl ether acrylate (EGMEA) chains, or combinations thereof.
典型的には、高弾性ポリマーは、元来、硬化して高弾性の架橋ポリマーを形成できるモノマー又はオリゴマー状態である。硬化の前に、これらのポリマー又はオリゴマーは、有機溶媒に可溶でありポリマー溶液を形成する。カソード活物質の粒子(例えば、硫黄-炭素ハイブリッド粒子、硫黄-黒鉛ハイブリッド粒子、硫黄-グラフェンハイブリッド粒子、硫黄化合物粒子、金属スルフィド粒子等)をこのポリマー溶液に分散して、活物質粒子-ポリマー(モノマー又はオリゴマー)混合物の懸濁液(分散液又はスラリー)を形成できる。次いで、個々の粒子が互いに実質的に分離されたままで、この懸濁液を溶媒除去処理に供することができる。ポリマー(又はモノマー又はオリゴマー)が沈殿して、これらの活物質粒子の表面に堆積する。これは、例えば、噴霧乾燥、超音波噴霧、空気補助噴霧、エアロゾル化、及び他の二次粒子形成手順により達成することができる。 Typically, the high modulus polymer is originally in a monomeric or oligomeric state that can be cured to form a highly modulus crosslinked polymer. Prior to curing, these polymers or oligomers are soluble in organic solvents to form a polymer solution. Particles of cathode active material (for example, sulfur-carbon hybrid particles, sulfur-graphite hybrid particles, sulfur-graphene hybrid particles, sulfur compound particles, metal sulfide particles, etc.) are dispersed in this polymer solution, and the active material particles-polymer ( A suspension (dispersion or slurry) of the monomer or oligomer) mixture can be formed. This suspension can then be subjected to a solvent removal process while the individual particles remain substantially separated from each other. Polymers (or monomers or oligomers) precipitate and are deposited on the surface of these active material particles. This can be accomplished, for example, by spray drying, ultrasonic atomization, air-assisted atomization, aerosolization, and other secondary particle formation procedures.
例えば、エトキシ化トリメチロプロパントリアクリレートモノマー(ETPTA、Mw=428、以下の化学式)は、開始剤とともに、炭酸エチレン(EC)や炭酸ジエチル(DEC)などの有機溶媒に溶解できる。次いで、アノード活物質粒子(Si、Sn、SnO2、及びCo3O4粒子等)をETPTAモノマー/溶媒/開始剤溶液に分散させてスラリーを形成することができ、これを噴霧乾燥してETPTAモノマー/開始剤が包まれたアノード粒子を形成することができる。次いで、これらの包まれたアノード粒子を熱硬化させて、高弾性ポリマーの薄層でカプセル化されたアノード粒子からなる微粒子を得ることができる。このモノマーの重合及び架橋反応は、開始剤分子の熱分解により過酸化ベンゾイル(BPO)又はAIBNから誘導されるラジカル開始剤によって開始できる。ETPTAモノマーは、以下の化学式
を有する。
For example, ethoxylated trimethylopropane triacrylate monomer (ETPTA, Mw=428, chemical formula below) can be dissolved in an organic solvent such as ethylene carbonate (EC) or diethyl carbonate (DEC), along with an initiator. Anode active material particles (such as Si, Sn, SnO 2 , and Co 3 O 4 particles) can then be dispersed in the ETPTA monomer/solvent/initiator solution to form a slurry, which can be spray-dried to form an ETPTA Monomer/initiator encapsulated anode particles can be formed. These encapsulated anode particles can then be thermally cured to obtain microparticles consisting of anode particles encapsulated with a thin layer of high modulus polymer. The polymerization and crosslinking reactions of the monomers can be initiated by radical initiators derived from benzoyl peroxide (BPO) or AIBN by thermal decomposition of the initiator molecules. ETPTA monomer has the following chemical formula
has.
別の例として、カプセル化における高弾性ポリマーは、スクシノニトリル(SN)におけるシアノエチルポリビニルアルコール(PVA-CN、式2)のカチオン重合と架橋に基づくことができる。
As another example, high modulus polymers in encapsulation can be based on cationic polymerization and crosslinking of cyanoethyl polyvinyl alcohol (PVA-CN, formula 2) in succinonitrile (SN).
手順は、PVA-CNをスクシノニトリル(NCCH2CH2CN)に溶解して混合溶液を形成することから開始できる。その後、開始剤を混合溶液に加える。例えば、LiPF6をPVA-CN/SN混合溶液に重量比(20:1~2:1の好ましい範囲から選択)で加えて、前駆体溶液を形成することができる。次いで、選択されたアノード活物質の粒子が混合溶液に導入されてスラリーを形成する。次いで、スラリーをマイクロカプセル化手順に供して、反応塊、PVA-CN/LiPF6の包まれた層でコーティングされたアノード活物質粒子を生成することができる。次いで、これらの包まれた粒子を2~8時間温度(例えば、75~100℃)で加熱して、高弾性ポリマーでカプセル化されたアノード活物質粒子を得ることができる。このプロセス中、カチオン重合とPVA-CNにおけるシアノ基の架橋は、このような高温でのLiPF6の熱分解から誘導されるPF5によって開始することができる。 The procedure can begin by dissolving PVA-CN in succinonitrile (NCCH 2 CH 2 CN) to form a mixed solution. Then, the initiator is added to the mixed solution. For example, LiPF 6 can be added to a PVA-CN/SN mixed solution in a weight ratio (selected from a preferred range of 20:1 to 2:1) to form a precursor solution. Particles of the selected anode active material are then introduced into the mixed solution to form a slurry. The slurry can then be subjected to a microencapsulation procedure to produce anode active material particles coated with an encapsulated layer of the reactive mass, PVA-CN/LiPF 6 . These wrapped particles can then be heated at a temperature (eg, 75-100° C.) for 2-8 hours to obtain high modulus polymer encapsulated anode active material particles. During this process, cationic polymerization and crosslinking of cyano groups in PVA-CN can be initiated by PF 5 derived from the thermal decomposition of LiPF 6 at such high temperatures.
これらの材料は、ポリマー鎖の軽度に架橋したネットワークを形成することが不可欠である。言い換えれば、ネットワークポリマー又は架橋ポリマーは、高い弾性変形を付与するために比較的低い架橋度又は低い架橋密度を有さなければならない。 It is essential that these materials form a lightly crosslinked network of polymer chains. In other words, the network polymer or crosslinked polymer must have a relatively low degree of crosslinking or low crosslink density in order to impart high elastic deformation.
ポリマー鎖の架橋ネットワークの架橋密度は、架橋間の分子量の逆数(Mc)として定義できる。架橋密度は、方程式、Mc=ρRT/Geで決定でき、式中、Geは動的機械分析の温度掃引で決定される平衡弾性率であり、ρは物理密度であり、RはJ/モル*K単位の普遍的ガス定数であり、TはK単位の絶対温度である。Geとρが実験的に決定されると、Mcと架橋密度を計算できる。 The crosslink density of a crosslinked network of polymer chains can be defined as the reciprocal of the molecular weight (Mc) between the crosslinks. The crosslink density can be determined by the equation, Mc=ρRT/Ge, where Ge is the equilibrium modulus determined by the temperature sweep of dynamic mechanical analysis, ρ is the physical density, and R is J/mol * is the universal gas constant in K and T is the absolute temperature in K. Once Ge and ρ are determined experimentally, Mc and crosslink density can be calculated.
Mcの大きさは、Mc値を架橋鎖又は鎖結合の特徴的な繰り返し単位の分子量で除算することにより標準化され、2つの架橋点間の繰り返し単位の数であるNcが得られる。弾性変形歪みはMc及びNcと非常によく相関することが判明した。架橋ポリマーの弾性は、架橋間の多数の繰り返し単位(大きなNc)に由来する。繰り返し単位は、ポリマーに応力がかかっていない場合、より緩和な立体構造(例えば、ランダムコイル)を想定できる。しかしながら、ポリマーに機械的な応力がかかると、結合鎖がほどける、又は伸長して大きな変形が生じる。架橋点間の長い結合鎖(より大きなNc)は、より大きな弾性変形を可能にする。負荷が解放されると、結合鎖はより緩和な状態又はコイル状態に戻る。ポリマーの機械的負荷の間、架橋は、さもなければ塑性変形(回復不能)を形成する鎖の滑りを防止する。 The magnitude of Mc is normalized by dividing the Mc value by the molecular weight of the characteristic repeating unit of the crosslink or chain linkage, yielding Nc, which is the number of repeating units between two crosslinking points. It was found that the elastic deformation strain correlates very well with Mc and Nc. The elasticity of crosslinked polymers comes from the large number of repeating units (large Nc) between the crosslinks. The repeating unit can assume a more relaxed conformation (eg, a random coil) when the polymer is unstressed. However, when mechanical stress is applied to the polymer, the bonded chains unwind or elongate, resulting in large deformations. Longer bond chains (larger Nc) between cross-linking points allow for greater elastic deformation. When the load is released, the bonded chain returns to a more relaxed or coiled state. During mechanical loading of the polymer, crosslinking prevents the chains from slipping, which would otherwise form plastic deformations (irrecoverable).
好ましくは、高弾性ポリマーのNc値は、5より大きく、より好ましくは10より大きく、更により好ましくは100より大きく、更により好ましくは200より大きい。これらのNc値は、様々な機能性を持つ様々な架橋剤を使用することにより、且つ様々な温度で様々な期間進行する重合及び架橋反応を設計することにより、様々な弾性変形値を達成するために容易に制御及び変動することができる。 Preferably, the Nc value of the high modulus polymer is greater than 5, more preferably greater than 10, even more preferably greater than 100, and even more preferably greater than 200. These Nc values are achieved by using different crosslinking agents with different functionalities and by designing the polymerization and crosslinking reactions to proceed at different temperatures and for different periods of time to achieve different elastic deformation values. Therefore, it can be easily controlled and varied.
或いは、ムーニー-リブリン(Mooney-Rilvin)法を使用して、架橋度を決定することができる。架橋は膨潤実験でも測定できる。膨潤実験では、架橋した試料を特定の温度で対応する直鎖型ポリマーのための良溶媒に入れ、質量の変化又は体積の変化を測定する。架橋度が高いほど、膨潤は少なくなる。膨潤の度合い、フローリー相互作用パラメーター(溶媒の試料との相互作用に関連する、フローリー・ハギンズ方程式(Flory Huggins Eq.)、及び溶媒の密度に基づいて、フローリー(Flory)のネットワーク理論に従って理論的な架橋度を計算できる。フローリー-レーナー(Flory-Rehner)方程式は、架橋の決定に有用であり得る。 Alternatively, the degree of crosslinking can be determined using the Mooney-Rilvin method. Crosslinking can also be measured by swelling experiments. In swelling experiments, a crosslinked sample is placed in a good solvent for the corresponding linear polymer at a specific temperature and the change in mass or volume is measured. The higher the degree of crosslinking, the less swelling. Based on the degree of swelling, the Flory interaction parameters (Flory-Huggins Eq., which are related to the interaction of the solvent with the sample), and the density of the solvent, the theoretical The degree of crosslinking can be calculated. The Flory-Rehner equation can be useful in determining crosslinking.
カプセル化における高弾性ポリマーには、2つの架橋鎖が互いに絡み合う同時相互浸透ネットワーク(SIN)ポリマー、又は架橋ポリマー及び直鎖型ポリマーを含む半相互浸透ネットワークポリマー(半IPN)を含み得る。半IPNの例は、エトキシ化トリメチロールプロパントリアクリレート(ETPTA)及びエチレングリコールメチルエーテルアクリレート(EGMEA)オリゴマーからなるUV硬化性/重合性三価/一価アクリレート混合物である。ETPTAは、三価のビニル基を持ち、光(UV)架橋可能なモノマーであり、架橋鎖のネットワークを形成できる。又、一価のビニル基を有するEGMEAは、UV重合可能であり、オリゴマーのエチレンオキシド単位の存在により柔軟性の高い直鎖型ポリマーになる。ETPTAの架橋度が中程度又は低い場合、得られるETPTA/EGMEA半IPNポリマーは、良好な機械的柔軟性又は弾性及び妥当な機械的強度をもたらす。このポリマーのリチウムイオン伝導性は、典型的には10-4~5×10-3S/cmの範囲である。 Highly modulus polymers in encapsulation can include simultaneous interpenetrating network (SIN) polymers in which two cross-linked chains are intertwined with each other, or semi-interpenetrating network polymers (semi-IPN) that include a cross-linked polymer and a linear polymer. An example of a semi-IPN is a UV curable/polymerizable tri/monoacrylate mixture consisting of ethoxylated trimethylolpropane triacrylate (ETPTA) and ethylene glycol methyl ether acrylate (EGMEA) oligomers. ETPTA is a photo (UV) crosslinkable monomer with a trivalent vinyl group and can form a network of crosslinked chains. Furthermore, EGMEA having a monovalent vinyl group can be UV polymerized and becomes a highly flexible linear polymer due to the presence of oligomeric ethylene oxide units. When the degree of crosslinking of ETPTA is moderate or low, the resulting ETPTA/EGMEA semi-IPN polymer provides good mechanical flexibility or elasticity and reasonable mechanical strength. The lithium ion conductivity of this polymer typically ranges from 10 −4 to 5×10 −3 S/cm.
高弾性ポリマーは、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、二環式ポリマー、これらの誘導体(例えば、スルホン化バージョン)、又はこれらの組み合わせから選択される導電性ポリマーとの混合物又はブレンドを形成することができる。 The highly elastic polymer may form a mixture or blend with a conductive polymer selected from polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyfuran, bicyclic polymers, derivatives thereof (e.g., sulfonated versions), or combinations thereof. can.
いくつかの実施形態では、高弾性ポリマーは、ポリ(エチレンオキシド)(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリ(アクリロニトリル)(PAN)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリビス-メトキシエトキシエトキシド-ホスファゼネックス、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリ(フッ化ビニリデン)-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)、これらの誘導体(スルホン化バージョンなど)、又はこれらの組み合わせから選択されるリチウムイオン伝導性ポリマーとの混合物を形成し得る。 In some embodiments, the high modulus polymer is poly(ethylene oxide) (PEO), polypropylene oxide (PPO), poly(acrylonitrile) (PAN), poly(methyl methacrylate) (PMMA), polyvinylidene fluoride (PVdF), Polybis-methoxyethoxyethoxide-phosphazenex, polyvinyl chloride, polydimethylsiloxane, poly(vinylidene fluoride)-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), derivatives thereof (such as sulfonated versions), or combinations thereof A mixture may be formed with a lithium ion conductive polymer selected from:
高弾性ポリマーは、従来のエラストマー又はゴムとのポリマーブレンドを形成することができる。加硫してエラストマーになることができる不飽和ゴムとしては、天然ポリイソプレン(例えば、シス-1,4-ポリイソプレン天然ゴム(NR)及びトランス-1,4-ポリイソプレンガッタパーチャ)、合成ポリイソプレン(イソプレンゴムではIR)、ポリブタジエン(ブタジエンゴムではBR)、クロロプレンゴム(CR)、ポリクロロプレン(例えば、ネオプレン、ベイプレンなど)、ハロゲン化ブチルゴム(クロロブチルゴム(CIIR)及びブロモブチルゴム(BIIR)を含むブチルゴム(イソブチレンとイソプレンのコポリマー、IIR)、スチレンブタジエンゴム(スチレンとブタジエンのコポリマー、SBR)、ニトリルゴム(ブタジエンとアクリロニトリルのコポリマー、NBR)が挙げられる。 High modulus polymers can form polymer blends with conventional elastomers or rubbers. Unsaturated rubbers that can be vulcanized into elastomers include natural polyisoprene (e.g. cis-1,4-polyisoprene natural rubber (NR) and trans-1,4-polyisoprene gatta-percha), synthetic polyisoprene (IR for isoprene rubber), polybutadiene (BR for butadiene rubber), chloroprene rubber (CR), polychloroprene (e.g. neoprene, vaprene, etc.), halogenated butyl rubber (including chlorobutyl rubber (CIIR) and bromobutyl rubber (BIIR)) (copolymer of isobutylene and isoprene, IIR), styrene-butadiene rubber (copolymer of styrene and butadiene, SBR), and nitrile rubber (copolymer of butadiene and acrylonitrile, NBR).
一部のエラストマーは、硫黄加硫により硬化できない飽和ゴムであり、様々な手段で、例えば、他の直鎖型鎖をともに保持するコポリマードメインを有することによって、ゴム状又はエラストマー状の材料に作製される。これらのエラストマーはそれぞれ、いくつかの手段:溶融混合(例えば、ペレット化及びボールミル粉砕が続く)、乾燥(例えば、噴霧乾燥)がその後続く溶液混合(有機溶媒を有する又は有さない、未硬化ポリマー、モノマー、又はオリゴマーへのアノード活物質粒子の溶解)、界面活性重合、又はアノード活物質粒子の存在下でのエラストマーのその場重合の1つによってアノード活物質の粒子をカプセル化するために使用できる。 Some elastomers are saturated rubbers that cannot be cured by sulfur vulcanization and are made into rubbery or elastomeric materials by various means, for example, by having copolymer domains that hold together other linear chains. be done. Each of these elastomers can be prepared by several means: melt mixing (e.g., followed by pelletization and ball milling), solution mixing (with or without organic solvents, uncured polymer) followed by drying (e.g., spray drying). used to encapsulate particles of anode active material by one of the following: (dissolution of anode active material particles in monomers, monomers, or oligomers), surface active polymerization, or in situ polymerization of an elastomer in the presence of anode active material particles. can.
この範疇の飽和ゴム及び関連するエラストマーとしては、EPM(エチレンプロピレンゴム、エチレンとプロピレンのコポリマー)、EPDMゴム(エチレンプロピレンジエンゴム、エチレン、プロピレン及びジエン成分のターポリマー)、エピクロロヒドリンゴム(ECO)、ポリアクリルゴム(ACM、ABR)、シリコーンゴム(SI、Q、VMQ)、フルオロシリコーンゴム(FVMQ)、フルオロエラストマー(FKM、及びFEPM、Viton、Tecnoflon、Fluorel、Aflas、及びDai-Elなど)、ベルフルオロエラストマー(FFKM:Tecnoflon PFR、Kalrez、Chemraz、Perlast)、ポリエーテルブロックアミド(PEBA)、クロロスルホン化ポリエチレン(CSM、例えばHypalon)、及びエチレン酢酸ビニル(EVA)、熱可塑性エラストマー(TPE)、タンパク質レシリン、及びタンパク質エラスチンが挙げられる。ポリウレタンとそのコポリマー(例えば、尿素-ウレタンコポリマー)は、アノード活物質粒子をカプセル化するための特に有用なエラストマーシェル材料である。 Saturated rubbers and related elastomers in this category include EPM (ethylene propylene rubber, a copolymer of ethylene and propylene), EPDM rubber (ethylene propylene diene rubber, a terpolymer of ethylene, propylene and diene components), epichlorohydrin rubber (ECO ), polyacrylic rubbers (ACM, ABR), silicone rubbers (SI, Q, VMQ), fluorosilicone rubbers (FVMQ), fluoroelastomers (FKM, and FEPM, Viton, Tecnoflon, Fluorel, Aflas, and Dai-El, etc.) , bellfluoroelastomers (FFKM: Tecnoflon PFR, Kalrez, Chemraz, Perlast), polyether block amide (PEBA), chlorosulfonated polyethylene (CSM, e.g. Hypalon), and ethylene vinyl acetate (EVA), thermoplastic elastomers (TPE) , the protein resilin, and the protein elastin. Polyurethanes and their copolymers (eg, urea-urethane copolymers) are particularly useful elastomeric shell materials for encapsulating anode active material particles.
C.高弾性ポリマーによるカソード活物質粒子のカプセル化
いくつかのマイクロカプセル化プロセスでは、高弾性ポリマー又はその前駆体(モノマー又はオリゴマー)が溶媒に溶解可能である必要がある。幸いなことに、本明細書で使用される全ての高弾性ポリマー又はその前駆体は、いくつかの一般的な溶媒に可溶である。未硬化ポリマー又はその前駆体は、一般的な有機溶媒に容易に溶解して溶液を形成できる。次いで、この溶液を使用して、以下で説明されるいくつかのマイクロカプセル化方法を介して固体粒子をカプセル化できる。カプセル化すると、次いでポリマーシェルが重合し架橋する。
C. Encapsulation of Cathode Active Material Particles with Highly Elastic Polymers Some microencapsulation processes require that highly elastic polymers or their precursors (monomers or oligomers) be soluble in a solvent. Fortunately, all high modulus polymers or precursors thereof used herein are soluble in several common solvents. The uncured polymer or its precursor can be easily dissolved in common organic solvents to form a solution. This solution can then be used to encapsulate solid particles via several microencapsulation methods described below. Upon encapsulation, the polymer shell then polymerizes and crosslinks.
カソード活物質の高弾性ポリマーでカプセル化された粒子を生成するために実施できるマイクロカプセル化方法は、3つの広い範疇がある:物理的方法、物理化学的方法、及び化学的方法。物理的方法としては、パンコーティング、エアサスペンションコーティング、遠心押し出し、振動ノズル、及び噴霧乾燥法が挙げられる。物理化学的方法としては、イオンチャネル型ゲル化法及びコアセルベーション相分離法が挙げられる。化学的方法としては、界面重縮合、界面架橋、その場重合、及びマトリックス重合が挙げられる。 There are three broad categories of microencapsulation methods that can be performed to produce highly elastic polymer-encapsulated particles of cathode active material: physical methods, physicochemical methods, and chemical methods. Physical methods include pan coating, air suspension coating, centrifugal extrusion, vibrating nozzles, and spray drying methods. Physicochemical methods include ion channel gelation method and coacervation phase separation method. Chemical methods include interfacial polycondensation, interfacial crosslinking, in situ polymerization, and matrix polymerization.
パンコーティング法:パンコーティングプロセスは、カプセル化材料(例えば、モノマー/オリゴマー、ポリマー溶融物、ポリマー/溶媒溶液)が、所望のカプセル化シェルの厚さに達するまで、パン又は同様の器具において活物質粒子を回転させることを伴う。 Pan Coating Method: The pan coating process involves coating the active material in a pan or similar device until the encapsulation material (e.g., monomer/oligomer, polymer melt, polymer/solvent solution) reaches the desired encapsulation shell thickness. Involves rotating particles.
エアサスペンションコーティング法:エアサスペンションコーティングプロセスでは、固体粒子(コア材料)がカプセル化チャンバ内の支持する空気流に分散される。ポリマー-溶剤溶液の制御された流れ(溶剤に溶解したポリマー又はそのモノマー又はオリゴマー、或いは液体状態でのそのモノマー又はオリゴマーのみ)を、同時にこのチャンバに導入し、溶液が懸濁粒子に衝突してコーティングできるようにする。これらの懸濁粒子は、揮発性溶媒が除去されている間にポリマー又はその前駆体分子でカプセル化(完全にコーティング)され、これらの粒子の表面に非常に薄いポリマー(又は、その後に硬化/硬化されるその前駆体)の層が残る。このプロセスは、完全コーティングの厚さ(即ち、カプセル化シェル又は壁の厚さ)などの必要なパラメーターが達成されるまで、数回繰り返されることができる。又、粒子を支持する空気流が粒子の乾燥に役立ち、乾燥速度は空気流の温度に直接比例し、シェルの厚さを最適化するために調整できる。 Air Suspension Coating Method: In the air suspension coating process, solid particles (core material) are dispersed in a supporting air stream within an encapsulation chamber. A controlled flow of a polymer-solvent solution (polymer or its monomers or oligomers dissolved in the solvent, or only its monomers or oligomers in liquid state) is simultaneously introduced into this chamber and the solution impinges on the suspended particles. Allow coating. These suspended particles are encapsulated (completely coated) with polymer or its precursor molecules while the volatile solvent is removed, and a very thin layer of polymer (or subsequently cured/coated) is applied to the surface of these particles. A layer of its precursor) remains that is cured. This process can be repeated several times until the required parameters such as complete coating thickness (ie, encapsulation shell or wall thickness) are achieved. Also, the airflow supporting the particles helps dry the particles, and the drying rate is directly proportional to the temperature of the airflow and can be adjusted to optimize the shell thickness.
好ましい態様では、カプセル化ゾーン部分の粒子は、繰り返しコーティングのために再循環に供されることができる。好ましくは、カプセル化チャンバは、粒子がカプセル化ゾーンを上方に通過し、その後ゆっくりと移動する空気に分散され、カプセル化チャンバの底部に沈むように配置され、所望のカプセル化シェルの厚さが達成されるまで、粒子がカプセル化ゾーンを繰り返し通過できるようにする。 In a preferred embodiment, the particles of the encapsulation zone portion can be subjected to recirculation for repeated coatings. Preferably, the encapsulation chamber is arranged such that the particles pass upwardly through the encapsulation zone, are then dispersed in the slowly moving air, and sink to the bottom of the encapsulation chamber to achieve the desired encapsulation shell thickness. The particles are allowed to pass through the encapsulation zone repeatedly until
遠心押し出し:活物質粒子は、同心ノズルを含む回転押し出しヘッドを使用してカプセル化できる。このプロセスでは、コア流体(溶媒に分散した材料の粒子を含むスラリー)の流れは、シェル溶液又は溶融物の鞘に囲まれている。器具が回転し、流れが空気中を移動すると、レイリー不安定性により崩壊し、それぞれがシェル溶液でコーティングされたコアの液滴になる。液滴が飛行中に、溶融シェルが硬化する、又は溶媒がシェル溶液から蒸発する場合がある。必要に応じて、カプセルを硬化浴で捕捉することにより、形成後にカプセルを硬化させることができる。液滴は液体の流れの崩壊によって形成されるため、このプロセスは液体又はスラリーにのみ適している。高い生成率を達成できる。1時間あたり1ノズルあたり22.5kgまでのマイクロカプセルを生成でき、16のノズルを含む押し出しヘッドが容易に入手できる。 Centrifugal extrusion: Active material particles can be encapsulated using a rotating extrusion head containing concentric nozzles. In this process, a stream of core fluid (a slurry containing particles of material dispersed in a solvent) is surrounded by a shell solution or sheath of melt. As the instrument rotates and the flow moves through the air, the Rayleigh instability causes it to collapse into core droplets, each coated with shell solution. During the flight of the droplet, the molten shell may harden or the solvent may evaporate from the shell solution. If desired, the capsules can be hardened after formation by trapping them in a hardening bath. This process is only suitable for liquids or slurries since droplets are formed by the collapse of a liquid stream. A high production rate can be achieved. Up to 22.5 kg of microcapsules can be produced per nozzle per hour, and extrusion heads containing 16 nozzles are readily available.
振動ノズル法:活物質のコアシェルカプセル化又はマトリックスカプセル化は、ノズルを通る層流と、ノズル又は液体の振動を使用して行うことができる。振動は、レイリー不安定性と同調して行われる必要があり、非常に均一な液滴をもたらす。液体は、限られた粘度(1~50,000mPa・s)の任意の液体からなることができる:活物質を含むエマルジョン、懸濁液、又はスラリー。固化は、内部ゲル化(例えば、ゾルゲル処理、溶融)又は外部ゲル化(例えば、スラリーにおける更なるバインダーシステム)で使用されたゲル化システムに従って行うことができる。 Vibrating nozzle method: Core-shell or matrix encapsulation of active materials can be performed using laminar flow through the nozzle and vibration of the nozzle or liquid. The oscillations need to be done in sync with the Rayleigh instability, resulting in very uniform droplets. The liquid can consist of any liquid of limited viscosity (1 to 50,000 mPa·s): an emulsion, suspension, or slurry containing the active material. Solidification can be carried out according to the gelling system used for internal gelling (eg sol-gel processing, melting) or external gelling (eg additional binder system in the slurry).
噴霧乾燥:活物質が溶融物又はポリマー溶液に溶解又は懸濁されている場合、噴霧乾燥を使用して活物質の粒子をカプセル化することができる。噴霧乾燥では、液体原料(溶液又は懸濁液)を霧化して液滴を形成し、高温ガスと接触すると、溶媒が蒸発し薄いポリマーのシェルが活物質の固体粒子を完全に包む。 Spray Drying: Spray drying can be used to encapsulate particles of active material when the active material is dissolved or suspended in a melt or polymer solution. In spray drying, a liquid feedstock (solution or suspension) is atomized to form droplets that, upon contact with hot gas, evaporate the solvent and a thin polymeric shell completely envelops the solid particles of active material.
コアセルベーション相分離:このプロセスは、連続攪拌下で実行される3つの工程からなる。
(a)3つの非混和性化学相の形成:液体作成ビヒクル相、コア材料相、及びカプセル化材料相。コア材料は、カプセル化ポリマー(又はそのモノマー又はオリゴマー)の溶液に分散される。液体状態の非混和性ポリマーであるカプセル化材料相は、(i)ポリマー溶液の温度の変化、(ii)塩の添加、(iii)非溶媒の添加、又は(iv)ポリマー溶液における不適合ポリマーの添加により形成される。
(b)カプセル化シェル材料の堆積:カプセル化ポリマー溶液に分散されたコア材料、コア粒子の周りにコーティングされたポリマー材料のカプセル化、及びコア材料とビヒクル相の間に形成された界面に吸着したポリマーによるコア粒子の周りを包む液体ポリマーの堆積。
(c)カプセル化シェル材料の硬化:シェル材料は、ビヒクル相で不混和性であり、熱、架橋、又は溶解技術により剛性になる。
Coacervation phase separation: This process consists of three steps carried out under continuous stirring.
(a) Formation of three immiscible chemical phases: a liquid making vehicle phase, a core material phase, and an encapsulating material phase. The core material is dispersed in a solution of the encapsulating polymer (or its monomers or oligomers). The encapsulating material phase, which is an immiscible polymer in a liquid state, is removed by (i) a change in the temperature of the polymer solution, (ii) the addition of a salt, (iii) the addition of a non-solvent, or (iv) the presence of incompatible polymers in the polymer solution. Formed by addition.
(b) Deposition of encapsulating shell material: core material dispersed in an encapsulating polymer solution, encapsulation of the polymeric material coated around the core particles, and adsorbed on the interface formed between the core material and the vehicle phase. Deposition of liquid polymer wrapped around the core particle by the polymer.
(c) Curing of the encapsulation shell material: The shell material is immiscible in the vehicle phase and becomes rigid through heat, cross-linking, or melting techniques.
界面重縮合及び界面架橋:界面重縮合では、2つの反応物を導入して相互に反応する界面で接触することを伴う。これは、酸塩化物と、活性水素原子を含む化合物(アミン又はアルコールなど)、ポリエステル、ポリ尿素、ポリウレタン、又は尿素-ウレタン縮合との間のショッテン-バウマン反応の概念に基づく。適切な条件下では、薄い柔軟なカプセル化シェル(壁)が界面で急速に形成する。活物質と二酸塩化物の溶液を水に乳化し、アミンと多官能性イソシアネートを含む水溶液を加える。反応中に形成された酸を中和するために、塩基を添加することができる。エマルジョンの液滴の界面で、凝縮したポリマーシェルが瞬時に形成する。界面架橋は界面重縮合に由来し、成長するポリマー鎖と多官能性化学基の間で架橋が起こり、エラストマーシェル材料を形成する。 Interfacial polycondensation and crosslinking: Interfacial polycondensation involves introducing two reactants into contact at an interface where they react with each other. It is based on the concept of the Schotten-Baumann reaction between acid chlorides and compounds containing active hydrogen atoms (such as amines or alcohols), polyesters, polyureas, polyurethanes, or urea-urethane condensations. Under appropriate conditions, a thin, flexible encapsulation shell (wall) rapidly forms at the interface. A solution of the active material and diacid chloride is emulsified in water and an aqueous solution containing the amine and polyfunctional isocyanate is added. A base can be added to neutralize the acid formed during the reaction. A condensed polymer shell forms instantly at the interface of the emulsion droplets. Interfacial crosslinking originates from interfacial polycondensation, where crosslinking occurs between growing polymer chains and polyfunctional chemical groups to form an elastomeric shell material.
その場重合:一部のマイクロカプセル化プロセスでは、最初に活物質粒子がモノマー又はオリゴマーで完全にコーティングされる。次いで、モノマー又はオリゴマーの直接重合及び架橋が、これらの材料粒子の表面で実行される。 In situ polymerization: In some microencapsulation processes, active material particles are first completely coated with monomers or oligomers. Direct polymerization and crosslinking of monomers or oligomers is then carried out on the surface of these material particles.
マトリックス重合:この方法では、粒子の形成中にポリマーマトリックスにコア材料を分散させ埋め込むことを伴う。これは、マトリックス材料からの溶媒の蒸発により粒子が形成される噴霧乾燥により達成されることができる。別の可能性のある経路は、マトリックスの固化が化学変化によって引き起こされるという概念である。 Matrix polymerization: This method involves dispersing and embedding a core material in a polymer matrix during particle formation. This can be accomplished by spray drying, where the particles are formed by evaporation of the solvent from the matrix material. Another possible route is the concept that solidification of the matrix is caused by chemical changes.
D.カプセル化された微粒子、カソード層、並びにLi-S、Na-S、及びK-Sセルの構造についての更なる詳細
アルカリ金属-硫黄セルのアノード活物質層は、従来技術のLi-Sセルの図1(A)の左側部分に示されるように、集電体(例えば、Cu箔)によって支持されるLi、Na、又はKの箔又はコーティングを含み得る。或いは、アノード活物質は、例えば、図1(B)の左側部分に示されるように、プレリチウム化されたSi粒子又は表面安定化されたLi粒子の粒子を含み得る。しかしながら、すでに上記で説明したように、本セルのカソード層が異なる。
D. Further details about the encapsulated particulates, cathode layer, and structure of Li-S, Na-S, and K-S cells The anode active material layer of the alkali metal-sulfur cell is similar to that of the prior art Li-S cell. As shown in the left part of FIG. 1(A), it may include a Li, Na, or K foil or coating supported by a current collector (eg, a Cu foil). Alternatively, the anode active material may include particles of prelithiated Si particles or surface-stabilized Li particles, for example, as shown in the left part of FIG. 1(B). However, as already explained above, the cathode layer of this cell is different.
アルカリ金属-硫黄セルにおける電解質は、有機電解質、イオン液体電解質、ゲルポリマー電解質、固体電解質(例えば、ポリマー固体電解質又は無機固体電解質)、準固体電解質又はこれらの組み合わせであり得る。電解質は、典型的には、溶媒に溶解したアルカリ金属塩(リチウム塩、ナトリウム塩、及び/又はカリウム塩)を含む。 The electrolyte in an alkali metal-sulfur cell can be an organic electrolyte, an ionic liquid electrolyte, a gel polymer electrolyte, a solid electrolyte (eg, a polymer solid electrolyte or an inorganic solid electrolyte), a quasi-solid electrolyte, or a combination thereof. The electrolyte typically includes an alkali metal salt (lithium, sodium, and/or potassium salt) dissolved in a solvent.
溶媒は、1,3-ジオキソラン(DOL)、1,2-ジメトキシエタン(DME)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)、ポリ(エチレングリコール)ジメチルエーテル(PEGDME)、ジエチレングリコールジブチルエーテル(DEGDBE)、2-エトキシエチルエーテル(EEE)、スルホン、スルホラン、炭酸エチレン(EC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸メチルエチル(MEC)、炭酸ジエチル(DEC)、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、炭酸プロピレン(PC)、γ-ブチロラクトン(γ-BL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、ギ酸プロピル(PF)、ギ酸メチル(MF)、トルエン、キシレン、酢酸メチル(MA)、炭酸フルオロエチレン(FEC)、炭酸ビニレン(VC)、炭酸アリルエチル(AEC)、ハイドロフルオロエーテル、室温イオン液体溶媒、又はこれらの組み合わせから選択されることができる。 The solvents are 1,3-dioxolane (DOL), 1,2-dimethoxyethane (DME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), poly(ethylene glycol) dimethyl ether (PEGDME), diethylene glycol dibutyl ether (DEGDBE), 2-ethoxy Ethyl ether (EEE), sulfone, sulfolane, ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC), ethyl propionate, methyl propionate, propylene carbonate (PC), γ -Butyrolactone (γ-BL), acetonitrile (AN), ethyl acetate (EA), propyl formate (PF), methyl formate (MF), toluene, xylene, methyl acetate (MA), fluoroethylene carbonate (FEC), vinylene carbonate (VC), allyl ethyl carbonate (AEC), hydrofluoroethers, room temperature ionic liquid solvents, or combinations thereof.
非水性電解質に組み込まれる電解質塩は、過塩素酸リチウム(LiClO4)、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)、ホウフッ化リチウム(LiBF4)、六フッ化ヒ化リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビス-トリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3SO2)2]、リチウムビス(オキサラト)ボレート(LiBOB)、リチウムオキサリルジフルオロボレート(LiBF2C2O4)、リチウムオキサリルジフルオロボレート(LiBF2C2O4)、硝酸リチウム(LiNO3)、Li-フルオロアルキル-リン酸(LiPF3(CF2CF3)3)、リチウムビスペルフルオロエチルスルホニルイミド(LiBETI)、イオン液体塩、過塩素酸ナトリウム(NaClO4)、過塩素酸カリウム(KClO4)、ヘキサフルオロリン酸ナトリウム(NaPF6)、ヘキサフルオロリン酸カリウム(KPF6)、ホウフッ化ナトリウム(NaBF4)、ホウフッ化カリウム(KBF4)、ナトリウムヘキサフルオロヒ素、ヘキサフルオロヒ化カリウム、トリフルオロメタスルホン酸ナトリウム(NaCF3SO3)、トリフルオロメタスルホン酸カリウム(KCF3SO3)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドナトリウム(NaN(CF3SO2)2)、ナトリウムトリフルオロメタンスルホンイミド(NaTFSI)、及びビス-トリフルオロメチルスルホニルイミドカリウム(KN(CF3SO2)2)などのリチウム塩から選択できる。なかでも、Li-SセルにはLiPF6、LiBF4、及びLiN(CF3SO2)2、Na-SセルにはNaPF6及びLiBF4、並びにK-SセルにはKBF4が好ましい。非水溶媒中の上記電解質塩の含有量は、カソード側で0.5~3.0M(モル/L)、及びアノード側で3.0から>10Mであることが好ましい。 Electrolyte salts incorporated into the non-aqueous electrolyte include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium hexafluoroarsenide (LiAsF 6 ), and trifluoromethane. Lithium sulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium bis-trifluoromethylsulfonylimide [LiN(CF 3 SO 2 ) 2 ], lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), lithium oxalyl difluoroborate (LiBF 2 C 2 O 4 ), lithium oxalyl difluoroborate (LiBF 2 C 2 O 4 ), lithium nitrate (LiNO 3 ), Li-fluoroalkyl-phosphoric acid (LiPF 3 (CF 2 CF 3 ) 3 ), lithium bisperfluoroethylsulfonylimide (LiBETI) , ionic liquid salts, sodium perchlorate (NaClO 4 ), potassium perchlorate (KClO 4 ), sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ), potassium hexafluorophosphate (KPF 6 ), sodium borofluoride (NaBF 4 ) , potassium borofluoride (KBF 4 ), sodium hexafluoroarsenide, potassium hexafluoroarsenide, sodium trifluorometasulfonate (NaCF 3 SO 3 ), potassium trifluoromethanesulfonate (KCF 3 SO 3 ), bistrifluoromethylsulfonyl It can be selected from lithium salts such as sodium imide (NaN(CF 3 SO 2 ) 2 ), sodium trifluoromethanesulfonimide (NaTFSI), and potassium bis-trifluoromethylsulfonylimide (KN(CF 3 SO 2 ) 2 ). Among these, LiPF 6 , LiBF 4 , and LiN(CF 3 SO 2 ) 2 are preferred for Li-S cells, NaPF 6 and LiBF 4 are preferred for Na-S cells, and KBF 4 is preferred for KS cells. The content of the electrolyte salt in the non-aqueous solvent is preferably from 0.5 to 3.0 M (mol/L) on the cathode side and from 3.0 to >10 M on the anode side.
イオン液体はイオンのみから構成されている。イオン液体は、所望の温度を超えたときには融解状態又は液体状態になる低融解温度の塩である。例えば、塩は、その融点が100℃未満である場合にイオン液体とみなされる。融解温度が室温(25℃)以下である場合、塩は室温イオン液体(RTIL)と呼ばれる。IL塩は、大きなカチオンと電荷非局在化アニオンとの組合せによる弱い相互作用によって特徴付けられる。これは、可撓性(アニオン)及び非対称性(カチオン)による結晶化の傾向を低減する。 Ionic liquids are composed only of ions. Ionic liquids are low melting temperature salts that become molten or liquid when a desired temperature is exceeded. For example, a salt is considered an ionic liquid if its melting point is less than 100°C. If the melting temperature is below room temperature (25°C), the salt is called a room temperature ionic liquid (RTIL). IL salts are characterized by weak interactions due to the combination of large cations and charge delocalized anions. This reduces the tendency to crystallize due to flexibility (anion) and asymmetry (cation).
1-エチル-3-メチル-イミダゾリウム(EMI)カチオンとN,N-ビス(トリフルオロメタン)スルホンアミド(TFSI)アニオンとの組合せによって、典型的なよく知られたイオン液体が生成される。この組合せにより、最大約300~400℃で、多くの有機電解質溶液と同等のイオン導電率、並びに低い分解性及び低い蒸気圧を有する流体が得られる。これは、一般に低い揮発性及び非引火性、したがって電池に関してはるかに安全な電解質を示唆する。 The combination of the 1-ethyl-3-methyl-imidazolium (EMI) cation and the N,N-bis(trifluoromethane)sulfonamide (TFSI) anion produces a typical well-known ionic liquid. This combination results in a fluid with ionic conductivity comparable to many organic electrolyte solutions, as well as low decomposition and low vapor pressure up to about 300-400°C. This suggests an electrolyte that is generally less volatile and non-flammable, and therefore much safer for batteries.
イオン液体は、基本的には、多様な成分の調製が容易であることにより、本質的に無制限の数の構造変化を生じる有機イオンから構成される。したがって、様々な種類の塩を使用して、所与の用途に合わせて所望の特性を有するイオン液体を設計することができる。これらは、とりわけ、カチオンとしてのイミダゾリウム、ピロリジニウム、及び第四級アンモニウム塩と、アニオンとしてのビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ビス(フルオロスルホニル)イミド、及びヘキサフルオロホスフェートとを含む。有用なイオン液体ベースのナトリウム塩(溶媒ではない)は、カチオンとしてのナトリウムイオンと、アニオンとしてのビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ビス(フルオロスルホニル)イミド、又はヘキサフルオロリン酸塩とから構成することができる。その組成に基づいて、イオン液体は、基本的に非プロトン性、プロトン性、両性イオン型を含む様々な部類に分類され、それぞれが特定の用途に適している。 Ionic liquids are essentially composed of organic ions that, due to the ease of preparation of a variety of components, give rise to an essentially unlimited number of structural changes. Therefore, different types of salts can be used to design ionic liquids with desired properties for a given application. These include imidazolium, pyrrolidinium, and quaternary ammonium salts as cations, and bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, bis(fluorosulfonyl)imide, and hexafluorophosphate as anions, among others. Useful ionic liquid-based sodium salts (not solvents) consist of sodium ion as the cation and bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, bis(fluorosulfonyl)imide, or hexafluorophosphate as the anion. be able to. Based on their composition, ionic liquids are classified into various classes, including aprotic, protic, and zwitterionic types, each of which is suitable for specific applications.
室温イオン液体(RTIL)の一般的なカチオンとしては、限定はしないが、テトラアルキルアンモニウム、ジ-、トリ-、及びテトラ-アルキルイミダゾリウム、アルキルピリジニウム、ジアルキルピロリジニウム、ジアルキルピペリジニウム、テトラアルキルホスホニウム、並びにトリアルキルスルホニウムが挙げられる。RTILの一般的なアニオンとしては、限定はしないが、BF4 -、B(CN)4 -、CH3BF3 -、CH2CHBF3 -、CF3BF3 -、C2F5BF3 -、n-C3F7BF3 -、n-C4F9BF3 -、PF6 -、CF3CO2 -、CF3SO3 -、N(SO2CF3)2 -、N(COCF3)(SO2CF3)-、N(SO2F)2 -、N(CN)2 -、C(CN)3 -、SCN-、SeCN-、CuCl2 -、AlCl4 -、F(HF)2.3 -などが挙げられる。相対的に言えば、イミダゾリウム又はスルホニウムベースのカチオンと、AlCl4 -、BF4 -、CF3CO2 -、CF3SO3 -、NTf2 -、N(SO2F)2 -、又はF(HF)2.3 -などの錯体ハロゲン化物アニオンとの組合せが、良好な動作伝導率を有するRTILをもたらす。 Common cations for room temperature ionic liquids (RTILs) include, but are not limited to, tetraalkylammonium, di-, tri-, and tetra-alkylimidazolium, alkylpyridinium, dialkylpyrrolidinium, dialkylpiperidinium, tetra- Mention may be made of alkylphosphoniums as well as trialkylsulfoniums. Common anions for RTIL include, but are not limited to, BF 4 − , B(CN) 4 − , CH 3 BF 3 − , CH2CHBF 3 − , CF 3 BF 3 − , C 2 F 5 BF 3 − , n -C 3 F 7 BF 3 - , n-C 4 F 9 BF 3 - , PF 6 - , CF 3 CO 2 - , CF 3 SO 3 - , N(SO 2 CF 3 ) 2 - , N(COCF 3 ) (SO 2 CF 3 ) − , N(SO 2 F) 2 − , N(CN) 2 − , C(CN) 3 − , SCN − , SeCN − , CuCl 2 − , AlCl 4 − , F(HF) 2 .3 - etc. Relatively speaking, imidazolium- or sulfonium-based cations and AlCl 4 − , BF 4 − , CF 3 CO 2 − , CF 3 SO 3 − , NTf 2 − , N(SO 2 F) 2 − , or F Combination with complex halide anions such as (HF) 2.3 - results in RTILs with good operating conductivity.
RTILは、高い固有のイオン導電率、高い熱安定性、低い揮発性、低い(実質的にゼロの)蒸気圧、非引火性、室温よりも上及び下の広い温度範囲で液体を維持する機能、高い極性、高い粘度、及び広い電気化学的窓など、典型的な特性を有することができる。高い粘度を除いて、これらの特性は、Li-Sセルにおける電解質成分(塩及び/又は溶媒)としてRTILを使用する際に望ましい特性である。 RTILs have high intrinsic ionic conductivity, high thermal stability, low volatility, low (virtually zero) vapor pressure, non-flammability, and the ability to remain liquid over a wide temperature range above and below room temperature. can have typical properties such as high polarity, high viscosity, and wide electrochemical window. These properties, with the exception of high viscosity, are desirable properties when using RTIL as an electrolyte component (salt and/or solvent) in Li-S cells.
本発明の生成物(アルカリ金属セル、カソード活性層、及びカソード活物質粉末を含む)では、コア材料(高弾性ポリマーの薄層でカプセル化される)は、硫黄-炭素ハイブリッド、硫黄-黒鉛ハイブリッド、硫黄-グラフェンハイブリッド、導電性ポリマー-硫黄ハイブリッド、金属スルフィド、硫黄化合物等を含む。これらのハイブリッド又は化合物材料は、硫黄又は硫化物と炭素、黒鉛、グラフェン、又は導電性ポリマー材料との混合物、ブレンド、複合体、又は結合した物体を含む粒子の形態で作製される。金属スルフィド(例えば、ポリスルフィドリチウム、ポリスルフィドナトリウムなど)及び硫黄化合物は、微粒子の形で容易に入手できる。硫黄を導電性材料(炭素、黒鉛、グラフェン、及び/又は導電性ポリマー)と組み合わせて、複合体、混合物、又は結合した物体(例えば、酸化グラフェン表面に結合した硫黄)を形成できる。 In the products of the invention (including an alkali metal cell, a cathode active layer, and a cathode active material powder), the core material (encapsulated with a thin layer of high modulus polymer) is a sulfur-carbon hybrid, a sulfur-graphite hybrid , sulfur-graphene hybrids, conductive polymer-sulfur hybrids, metal sulfides, sulfur compounds, etc. These hybrid or compound materials are made in the form of particles comprising mixtures, blends, composites, or bound objects of sulfur or sulfide and carbon, graphite, graphene, or conductive polymeric materials. Metal sulfides (eg, lithium polysulfide, sodium polysulfide, etc.) and sulfur compounds are readily available in particulate form. Sulfur can be combined with conductive materials (carbon, graphite, graphene, and/or conductive polymers) to form composites, mixtures, or bound objects (eg, sulfur bound to a graphene oxide surface).
前述の硫黄含有材料を粒子にするために使用できる多くの周知の手順が存在する。例えば、固体硫黄を炭素又は黒鉛材料と混合して、ボールミル粉砕を使用して複合粒子を形成することができる。得られる粒子は、典型的には、1~20μmのサイズを有する楕円形又はジャガイモ状の形状である。又、気相浸透、溶液浸透、化学浸透、又は電気化学浸透を使用して、S又は硫化物を多孔質炭素又は黒鉛粒子(例えば、活性炭、メソポーラスカーボン、活性炭繊維など)の細孔に浸透させることができる。或いは、グラフェンシート、CNT、カーボンナノファイバー等の表面に硫黄を堆積させ、その後、高強度のボールミル粉砕、(懸濁液の)噴霧乾燥、エアロゾルの形成等を使用して、これらのSコーティングされたナノ材料を球形又は楕円形に形成することができる。次いで、これらの粒子は、上記で説明したマイクロカプセル化プロセスを使用して、高弾性ポリマーでカプセル化される。 There are many well-known procedures that can be used to particulate the aforementioned sulfur-containing materials. For example, solid sulfur can be mixed with carbon or graphite materials to form composite particles using ball milling. The resulting particles are typically oval or potato-shaped with a size of 1-20 μm. Also, vapor phase infiltration, solution infiltration, chemical infiltration, or electrochemical infiltration is used to infiltrate S or sulfide into the pores of porous carbon or graphite particles (e.g., activated carbon, mesoporous carbon, activated carbon fibers, etc.) be able to. Alternatively, these S-coated materials can be prepared by depositing sulfur on the surface of graphene sheets, CNTs, carbon nanofibers, etc., and then using high-intensity ball milling, spray drying (of suspensions), aerosol formation, etc. The nanomaterials can be formed into spherical or elliptical shapes. These particles are then encapsulated with a high modulus polymer using the microencapsulation process described above.
従来のLi-Sセルのカソードは、典型的には、硫黄と導電性添加剤/支持体からなる複合カソードにおける70重量%未満の硫黄を有する。従来技術の複合カソードの硫黄含有量が70重量%に達する、又はこれを超える場合でも、複合カソードの比容量は、典型的には、理論的予測に基づいて予想されるものよりも著しく低い。例えば、硫黄の理論比容量は1,675mAh/gである。70%の硫黄(S)と30%のカーボンブラック(CB)からなり、バインダーがない複合カソードは、1,675×70%=1,172mAh/gまでを貯蔵できる必要がある。残念ながら、観測された比容量は、典型的には、達成できるものの75%又は879mAh/g未満(この例では多くの場合に50%又は586mAh/g未満)である。言い換えれば、活物質(S)の利用率は、典型的には75%未満(又は50%未満)である。これは、Li-Sセルの従来技術における大きな問題であり、この問題に対する解決策はなかった。 Conventional Li-S cell cathodes typically have less than 70% sulfur by weight in a composite cathode consisting of sulfur and conductive additive/support. Even when the sulfur content of prior art composite cathodes reaches or exceeds 70% by weight, the specific capacity of the composite cathode is typically significantly lower than that expected based on theoretical predictions. For example, the theoretical specific capacity for sulfur is 1,675 mAh/g. A composite cathode consisting of 70% sulfur (S) and 30% carbon black (CB) with no binder should be able to store up to 1,675 x 70% = 1,172 mAh/g. Unfortunately, the observed specific capacities are typically less than 75% or 879 mAh/g of what can be achieved (in this example often less than 50% or 586 mAh/g). In other words, the utilization rate of the active material (S) is typically less than 75% (or less than 50%). This is a major problem in the prior art of Li-S cells, and there has been no solution to this problem.
従って、硫黄の利用効率、エネルギー密度、及び出力密度を大幅に向上させるために、高い硫黄の充填を得ると同時に、硫黄の極く薄い/小さい厚さ/直径を維持することが非常に有利である。例えば、化学、電気化学、又は蒸着を使用してグラフェン表面にナノスケールの硫黄(厚さ1~5nm)を堆積させ、Sコーティングされた又はS結合されたグラフェンシートを形成できる。次いで、これらのSコーティングされた又はS結合されたグラフェンシートは、タンブリング混合、ボールミル粉砕、又は噴霧手順を使用してともに凝集される。これらの工程により、硫黄を85%~99%含むS導電性材料ハイブリッドの調製が可能になるが、コーティングの厚さ又は粒子径は1nm~5nmに維持される。この極小の寸法により、速いリチウム拡散とリチウム-硫黄反応が可能になり、高い充放電速度でも高いS利用効率(従って、高いエネルギー密度)が得られる。これらのハイブリッド粒子又は硫黄化合物/硫化物粒子の周りに高弾性ポリマーを実装することにより、シャトル効果を大幅に削減し更には排除し、長いサイクル寿命を有するアルカリ金属電池を実現した。 Therefore, it is very advantageous to obtain high sulfur loading and at the same time maintain ultra-thin/small thickness/diameter of sulfur in order to significantly improve sulfur utilization efficiency, energy density, and power density. be. For example, nanoscale sulfur (1-5 nm thick) can be deposited on graphene surfaces using chemistry, electrochemistry, or vapor deposition to form S-coated or S-bonded graphene sheets. These S-coated or S-bonded graphene sheets are then agglomerated together using tumbling mixing, ball milling, or spraying procedures. These steps allow the preparation of S conductive material hybrids containing 85% to 99% sulfur while maintaining the coating thickness or particle size between 1 nm and 5 nm. This ultra-small size allows fast lithium diffusion and lithium-sulfur reactions, resulting in high S utilization efficiency (and thus high energy density) even at high charge/discharge rates. By implementing highly elastic polymers around these hybrid particles or sulfur compound/sulfide particles, we have significantly reduced and even eliminated the shuttle effect, resulting in alkali metal batteries with long cycle life.
繰り返すが、シャトル効果は、カソードで形成する硫黄又はアルカリ金属ポリスルフィドが溶媒に溶解する傾向、及び溶解したリチウムポリスルフィド種がカソードからアノードに移動する傾向に関連しており、この場合に、リチウムと不可逆的に反応して、Li-Sセルのその後の放電動作中に硫化物がカソードに戻るのを防止する種を形成する(有害なシャトル効果)。高弾性ポリマーを包むことは、その中に硫黄及び金属ポリスルフィドを効果的に捕捉し、これによりこのような溶解及び移動の問題を防止又は低減するように思われる。我々は、アルカリ金属-硫黄電池の最も重要で長年の問題を解決した。 Again, the shuttle effect is related to the tendency of sulfur or alkali metal polysulfides forming at the cathode to dissolve in the solvent and the tendency of dissolved lithium polysulfide species to migrate from the cathode to the anode, where lithium and reacts to form species that prevent sulfide from returning to the cathode during subsequent discharge operations of the Li-S cell (detrimental shuttle effect). Wrapping the high modulus polymer appears to effectively trap the sulfur and metal polysulfides therein, thereby preventing or reducing such dissolution and migration problems. We have solved the most important and long-standing problem of alkali metal-sulfur batteries.
このカソード活物質層は、(カプセル化された硫黄含有粒子の)複数の微粒子をともに結合してカソード活物質層を形成するバインダー樹脂を更に含み得る。前述のカソード活物質層において、バインダー樹脂は、複数の微粒子の一部ではなく(即ち、微粒子のコア部分の内側に含まれない)、複数の微粒子の外部にある。高弾性ポリマーは、バインダー樹脂を包まず、バインダー樹脂は、高弾性ポリマーに埋め込まれていない。 The cathode active material layer may further include a binder resin that binds the plurality of particulates (of encapsulated sulfur-containing particles) together to form the cathode active material layer. In the cathode active material layer described above, the binder resin is not part of the plurality of fine particles (that is, not included inside the core portion of the fine particles), but is outside the plurality of fine particles. The high modulus polymer does not enclose the binder resin, and the binder resin is not embedded in the high modulus polymer.
別の構造では、充電式アルカリ金属-硫黄セルのカソード活物質層は、樹脂バインダー、任意選択の導電性添加剤、硫黄含有材料の複数の粒子を含み得、この場合に、バインダー樹脂は、硫黄含有粒子をともに結合するのに役立ち、構造的完全性の固体層を形成する。この固体層は、カソード集電体(例えば、Al箔)によって支持されることができる。この固体層は、高弾性ポリマーの層で覆われ保護される。 In another construction, the cathode active material layer of a rechargeable alkali metal-sulfur cell may include a resin binder, an optional conductive additive, and a plurality of particles of a sulfur-containing material, where the binder resin is a sulfur-containing material. It helps bind the contained particles together, forming a solid layer of structural integrity. This solid layer can be supported by a cathode current collector (eg Al foil). This solid layer is covered and protected with a layer of high modulus polymer.
この固体層において、硫黄含有材料は、硫黄-炭素ハイブリッド、硫黄-黒鉛ハイブリッド、硫黄-グラフェンハイブリッド、導電性ポリマー-硫黄ハイブリッド、金属スルフィド、硫黄化合物、又はこれらの組み合わせから選択される。繰り返すが、より具体的には、硫黄含有材料粒子が、樹脂バインダーによって結合されて、統合固体層(自立できるように適切な構造的完全性の層)を形成し、添加剤又は補強材なしで測定した場合に10%以上の回復可能な引張り歪み、室温で10-5S/cm以上のリチウムイオン伝導率、及び0.5nm~10μmの厚さを有する高弾性ポリマーの薄層によって、統合固体層が覆われ保護される。統合固体層は、樹脂バインダーによってカソード集電体に結合されることができる。 In this solid layer, the sulfur-containing material is selected from sulfur-carbon hybrids, sulfur-graphite hybrids, sulfur-graphene hybrids, conductive polymer-sulfur hybrids, metal sulfides, sulfur compounds, or combinations thereof. Again, more specifically, the sulfur-containing material particles are bound together by a resin binder to form an integrated solid layer (a layer of adequate structural integrity to be self-supporting), without additives or reinforcements. A thin layer of highly elastic polymer with a recoverable tensile strain of greater than 10% when measured, a lithium ion conductivity of greater than 10 −5 S/cm at room temperature, and a thickness of 0.5 nm to 10 μm creates an integrated solid state. The layers are covered and protected. The integrated solid layer can be bonded to the cathode current collector by a resin binder.
このような高弾性ポリマー保護層は、前駆体の塊(必要な開始剤又は硬化剤を有するモノマー又はオリゴマー)を予備作製されたカソード活物質層にわたり噴霧し、次いで重合及び架橋することによって形成できる。 Such a high modulus polymeric protective layer can be formed by spraying a precursor mass (monomer or oligomer with the necessary initiator or curing agent) over a prefabricated cathode active material layer, followed by polymerization and crosslinking. .
又、本発明は、このようなカソード活物質層を含む充電式アルカリ金属-硫黄セルを提供し、この場合に、層全体が高弾性ポリマーで覆われ保護される。このアルカリ金属-硫黄セルは、(a)アノード活物質層及びアノード活物質層を支持する任意選択のアノード集電体と、(b)このカソード活物質層を含むカソードと、(c)アノード活物質層及びカソード活物質層とイオン接触する任意選択の多孔質セパレータ層を有する電解質とを含む。効果的に、この高弾性ポリマー保護層は、カソード活性層と多孔質セパレータの間に実装される。 The invention also provides a rechargeable alkali metal-sulfur cell comprising such a cathode active material layer, where the entire layer is covered and protected with a high modulus polymer. The alkali metal-sulfur cell includes (a) an anode active material layer and an optional anode current collector supporting the anode active material layer; (b) a cathode including the cathode active material layer; and (c) an anode active material layer. an electrolyte with an optional porous separator layer in ionic contact with the material layer and the cathode active material layer. Advantageously, this high modulus polymer protective layer is implemented between the cathode active layer and the porous separator.
上記のアルカリ金属-硫黄セルの全てのバージョンでは、アノード活物質は、例として、大量のリチウムを貯蔵することができるリチウム金属箔又は大容量のSi、Sn、又はSnO2を含み得る。カソード活物質は、純粋な硫黄(アノード活物質がリチウムを含む場合)、リチウムポリスルフィド、又は任意選択の硫黄含有化合物、分子、又はポリマーを含み得る。セルの作製時にカソード活物質がリチウム含有化学種(例えば、リチウムポリスルフィド)を含む場合、アノード活物質は、大量のリチウムを貯蔵できる任意選択の材料(例えば、Si、Ge、Sn、SnO2等)であり得る。 In all versions of the alkali metal-sulfur cells described above, the anode active material may include, by way of example, a lithium metal foil or a large capacity of Si, Sn, or SnO 2 that can store large amounts of lithium. The cathode active material may include pure sulfur (if the anode active material includes lithium), lithium polysulfide, or optional sulfur-containing compounds, molecules, or polymers. If the cathode active material includes a lithium-containing species (e.g., lithium polysulfide) during cell fabrication, the anode active material can be any material capable of storing large amounts of lithium (e.g., Si, Ge, Sn, SnO2 , etc.) It can be.
アノード側では、リチウム金属がLi-Sセルの唯一のアノード活物質として使用される場合、リチウムデンドライトの形成が懸念され、これは内部短絡と熱暴走を引き起こす可能性がある。本明細書では、このデンドライトの形成の課題に対処するために、2つの手法を別々に又は組み合わせて使用した。1つはアノード側に高濃度電解質を使用することを伴い、もう1つは導電性ナノフィラメントからなるナノ構造体を使用することを伴う。後者の場合、複数の導電性ナノフィラメントを処理して、好ましくは密集したウェブ、マット、又は紙の形態の統合された凝集構造を形成し、これらのフィラメントが交差、重なり、又は何らかの方法で相互に結合して(例えば、バインダー材料を使用して)、電子導電経路のネットワークを形成することを特徴とする。統合された構造は、電解質を収容するために実質的に相互接続された細孔を有する。ナノフィラメントは、例として、カーボンナノファイバー(CNF)、黒鉛ナノファイバー(GNF)、カーボンナノチューブ(CNT)、金属ナノワイヤ(MNW)、エレクトロスピニングにより得られた導電性ナノファイバー、導電性エレクトロスピニング複合ナノファイバー、ナノスケール化グラフェンプレートレット(NGP)、又はこれらの組み合わせから選択されることができる。ナノフィラメントは、ポリマー、コールタールピッチ、石油ピッチ、メソフェーズピッチ、コークス、又はこれらの誘導体から選択されるバインダー材料によって結合されることができる。 On the anode side, if lithium metal is used as the only anode active material in a Li-S cell, there is a concern about the formation of lithium dendrites, which can cause internal short circuits and thermal runaway. Herein, two approaches were used separately or in combination to address this dendrite formation problem. One involves the use of highly concentrated electrolytes on the anode side, and the other involves the use of nanostructures consisting of conductive nanofilaments. In the latter case, multiple conductive nanofilaments are processed to form an integrated cohesive structure, preferably in the form of a dense web, mat, or paper, such that the filaments intersect, overlap, or in some way intersect with each other. (e.g., using a binder material) to form a network of electronically conductive paths. The integrated structure has substantially interconnected pores to accommodate the electrolyte. Nanofilaments include, for example, carbon nanofibers (CNFs), graphite nanofibers (GNFs), carbon nanotubes (CNTs), metal nanowires (MNWs), conductive nanofibers obtained by electrospinning, and conductive electrospun composite nanofibers. It can be selected from fibers, nanoscaled graphene platelets (NGP), or combinations thereof. The nanofilaments can be bound by a binder material selected from polymers, coal tar pitch, petroleum pitch, mesophase pitch, coke, or derivatives thereof.
ナノファイバーは、導電性エレクトロスピニングポリマーファイバー、導電性フィラーを含むエレクトロスピニングポリマーナノコンポジットファイバー、エレクトロスピニングポリマーファイバーの炭化から得られたナノ炭素繊維、エレクトロスピニングピッチファイバー、及びこれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。例えば、ナノ構造電極は、ポリアクリロニトリル(PAN)をポリマーナノファイバーにエレクトロスピニングし、続いてPANを炭化することで得られることができる。炭化された構造の細孔のいくつかは、100nmより大きく、いくつかは100nmより小さいことに留意されたい。 The nanofibers are from the group consisting of conductive electrospun polymer fibers, electrospun polymer nanocomposite fibers containing conductive fillers, nanocarbon fibers obtained from carbonization of electrospun polymer fibers, electrospun pitch fibers, and combinations thereof. can be selected. For example, nanostructured electrodes can be obtained by electrospinning polyacrylonitrile (PAN) into polymer nanofibers followed by carbonization of the PAN. Note that some of the pores in the carbonized structure are larger than 100 nm and some are smaller than 100 nm.
本発明のカソード活性層は、少なくとも4つの広範な部類の充電式リチウム金属セル(又は同様に、ナトリウム金属又はカリウム金属セルにおいて)の1つに組み込まれることができる:
(A)従来のアノード構成を有するリチウム金属-硫黄:セルは、任意選択のカソード集電体、本発明のカソード層、セパレータ/電解質、及びアノード集電体を含む。潜在的なデンドライトの形成は、アノードで高濃度電解質又は固体電解質を使用することにより克服できる。
(B)ナノ構造アノード構成を有するリチウム金属-硫黄電池:セルは、任意選択のカソード集電体、本発明のカソード、セパレータ/電解質、任意選択のアノード集電体、及び充電又は再充電動作中にアノードに堆積されるリチウム金属を収容するナノ構造を含む。ナノフィラメントのこのナノ構造(ウェブ、マット、又は紙)は、均一なリチウム金属の堆積を可能にする均一な電界を提供し、デンドライトを形成する傾向を低減する。この構成は、長く安全なサイクル挙動のためのデンドライトのないセルを提供できる。
(C)従来のアノードを有するリチウムイオン-硫黄セル:例えば、セルは、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)又はスチレンブタジエンゴム(SBR)などのバインダーで結合されたアノード活性黒鉛粒子からなるアノードを含む。又、セルは、カソード集電体、本発明のカソード、セパレータ/電解質、及びアノード集電体を含む。
(D)ナノ構造アノードを有するリチウムイオン-硫黄セル:例えば、セルは、Siコーティングでコーティングされた、又はSiナノ粒子で結合されたナノファイバーのウェブを含む。又、セルは、任意選択のカソード集電体、本発明のカソード、セパレータ/電解質、及びアノード集電体を含む。この構成は、超高容量、高エネルギー密度、及び安全で長いサイクル寿命を提供する。
The cathode active layer of the present invention can be incorporated into one of at least four broad classes of rechargeable lithium metal cells (or similarly, in sodium metal or potassium metal cells):
(A) Lithium metal-sulfur with conventional anode configuration: The cell includes an optional cathode current collector, a cathode layer of the present invention, a separator/electrolyte, and an anode current collector. Potential dendrite formation can be overcome by using a highly concentrated or solid electrolyte at the anode.
(B) Lithium metal-sulfur battery with a nanostructured anode configuration: the cell comprises an optional cathode current collector, a cathode of the invention, a separator/electrolyte, an optional anode current collector, and during charging or recharging operation. contains nanostructures housing lithium metal that are deposited on the anode. This nanostructure of nanofilaments (web, mat, or paper) provides a uniform electric field that allows uniform lithium metal deposition and reduces the tendency to form dendrites. This configuration can provide dendrite-free cells for long and safe cycling behavior.
(C) Lithium ion-sulfur cell with conventional anode: For example, the cell includes an anode consisting of anode-active graphite particles bound with a binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or styrene butadiene rubber (SBR). The cell also includes a cathode current collector, a cathode of the invention, a separator/electrolyte, and an anode current collector.
(D) Lithium ion-sulfur cell with nanostructured anode: For example, the cell comprises a web of nanofibers coated with a Si coating or bonded with Si nanoparticles. The cell also includes an optional cathode current collector, a cathode of the invention, a separator/electrolyte, and an anode current collector. This configuration provides ultra-high capacity, high energy density, and safe and long cycle life.
リチウムイオン硫黄セル(例えば、上記の(C)及び(D)に記載される)では、アノード活物質は、(a)シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、及びカドミウム(Cd)、並びにこれらのリチウム化バージョン、(b)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、又はCdの他の元素との合金又は金属間化合物、及びこれらのリチウム化バージョン、この場合に、前述の合金又は化合物は化学量論的又は非化学量論的である、(c)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn、又はCd、及びこれらの混合物又は複合体の酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、及びテルル化物、並びにこれらのリチウム化バージョン、(d)Snの塩及び水酸化物、並びにこれらのリチウム化バージョン、(e)炭素又は黒鉛材料及びこれらのプレリチウム化バージョン、並びにこれらの組み合わせを含む、広範囲の高容量材料から選択されることができる。リチウムイオン化されていないバージョンは、セルの作製時にカソード側がリチウムポリスルフィド又はその他のリチウム源を含む場合に使用できる。 In a lithium-ion sulfur cell (e.g., as described in (C) and (D) above), the anode active materials include (a) silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb); , antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe), and cadmium (Cd). ), and lithiated versions thereof; (b) alloys or intermetallic compounds with other elements of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd; and lithiated versions thereof; (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn. or Cd, and oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, selenides, and tellurides of these mixtures or complexes, and lithiated versions thereof; (d) salts and hydroxides of Sn; , and lithiated versions thereof, (e) carbon or graphite materials and prelithiated versions thereof, and combinations thereof. Non-lithium ionized versions can be used when the cathode side includes lithium polysulfide or other lithium sources during cell fabrication.
考えられるリチウム金属セルは、アノード集電体、電解質相(任意選択によりしかし好ましくは、多孔質ポリエチレン-ポリプロピレンコポリマーフィルムなどの多孔質セパレータで支持される)、本発明のカソード、及び任意選択のカソード集電体からなることができる。 Contemplated lithium metal cells include an anode current collector, an electrolyte phase (optionally but preferably supported by a porous separator, such as a porous polyethylene-polypropylene copolymer film), a cathode of the invention, and an optional cathode. It can consist of a current collector.
ナトリウムイオン-硫黄セル又はカリウムイオン-硫黄セルの場合、アノード活物質層は、以下からなる群から選択されるアノード活物質を含み得る:(a)ナトリウム又はカリウムをドープしたシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、カドミウム(Cd)、及びこれらの混合物、(b)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、及びこれらの混合物のナトリウム又はカリウム含有合金又は金属間化合物、(c)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、及びこれらの混合物又は複合体のナトリウム又はカリウム含有酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、テルル化物、又はアンチモン化物、(d)ナトリウム又はカリウム塩、(e)黒鉛の粒子、硬質炭素、軟質炭素又は炭素粒子、及びこれらのプレナトリウム化バージョン(プレドープ又はNaで予備充填された)、並びにこれらの組み合わせ。 For sodium ion-sulfur cells or potassium ion-sulfur cells, the anode active material layer may include an anode active material selected from the group consisting of: (a) silicon (Si) doped with sodium or potassium, germanium; (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), cadmium (Cd), and mixtures thereof, (b) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures thereof; potassium-containing alloys or intermetallic compounds, (c) sodium or potassium of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures or complexes thereof; Containing oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, selenides, tellurides, or antimonides, (d) sodium or potassium salts, (e) graphite particles, hard carbon, soft carbon or carbon particles, and Presodiumized versions of these (predoped or preloaded with Na), as well as combinations thereof.
以下の実施例は、主に本発明の最良の形態の実施を例示する目的で提示され、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。 The following examples are presented primarily for the purpose of illustrating the best mode of practicing the invention and should not be construed as limiting the scope of the invention.
実施例1:エトキシ化トリメチルプロパントリアクリレートモノマー由来の高弾性ポリマー
代表的な手順では、エトキシ化トリメチルプロパントリアクリレートモノマー(ETPTA、Mw=428、Sigma-Aldrich)を、3/97(重量/重量)のETPTA/溶媒の重量に基づいた組成比で、炭酸エチレン(EC)/炭酸ジエチル(DEC)の溶媒混合物に溶解した。その後、過酸化ベンゾイル(BPO、ETPTA含有量に対して1.0重量%)をラジカル開始剤として添加して、カソード粒子と混合した後に熱架橋反応を可能にした。次いで、カソード活物質粒子(例えば、S-グラフェン粒子)をETPTAモノマー/溶媒/開始剤溶液に分散させてスラリーを形成し、これを噴霧乾燥してETPTAモノマー/開始剤で包まれたS-グラフェン粒子を形成した。次いで、これらの包まれた粒子を60℃で30分間熱硬化させて、高弾性ポリマーの薄層でカプセル化されたS-グラフェン粒子からなる微粒子を得た。ETPTAポリマーシェルの厚さは、1.3nm~115nmまで変動した。
Example 1: Highly Elastic Polymer Derived from Ethoxylated Trimethylpropane Triacrylate Monomer In a typical procedure, ethoxylated trimethylpropane triacrylate monomer (ETPTA, Mw=428, Sigma-Aldrich) was prepared at 3/97 (w/w). was dissolved in a solvent mixture of ethylene carbonate (EC)/diethyl carbonate (DEC) in a composition ratio based on the weight of ETPTA/solvent. Then, benzoyl peroxide (BPO, 1.0% by weight based on ETPTA content) was added as a radical initiator to enable the thermal crosslinking reaction after mixing with the cathode particles. Cathode active material particles (e.g., S-graphene particles) are then dispersed in the ETPTA monomer/solvent/initiator solution to form a slurry, which is spray dried to form the S-graphene encapsulated with ETPTA monomer/initiator. Particles were formed. These wrapped particles were then thermally cured at 60° C. for 30 minutes to obtain microparticles consisting of S-graphene particles encapsulated with a thin layer of high modulus polymer. The thickness of the ETPTA polymer shell varied from 1.3 nm to 115 nm.
別に、ETPTAモノマー/溶媒/開始剤溶液の一部の量を、ガラス表面にキャストして湿潤フィルムを形成し、これを熱乾燥し次いで60℃で30分間硬化させて架橋ポリマーのフィルムを形成した。この実験では、BPO/ETPTA重量比を0.1%~4%変動させ、いくつかの異なるポリマーフィルムの架橋度を変動させた。架橋度を特徴付ける手段として、2つの架橋点及び対応する繰り返し単位の数(Nc)の間の数平均分子量(Mc)を決定するために、硬化したポリマー試料の一部を動的機械試験にかけ、平衡動的弾性率Geを取得た。 Separately, a portion of the ETPTA monomer/solvent/initiator solution was cast onto a glass surface to form a wet film, which was heat dried and then cured at 60° C. for 30 minutes to form a film of crosslinked polymer. . In this experiment, the BPO/ETPTA weight ratio was varied from 0.1% to 4% and the degree of crosslinking of several different polymer films was varied. As a means of characterizing the degree of crosslinking, a portion of the cured polymer sample was subjected to dynamic mechanical testing to determine the number average molecular weight (Mc) between two crosslinking points and the corresponding number of repeating units (Nc); Equilibrium dynamic elastic modulus Ge was obtained.
それぞれの架橋フィルムからいくつかの引張り試験片を切り取り、標準的試験機で試験した。4つのBPOで開始し架橋されたETPTAポリマーの代表的な引張り応力-歪み曲線を図5に示し、これはこの一連のネットワークポリマーが約230%~700%の弾性変形を有することを示している。これらのデータは、添加剤を含まない純粋なポリマーに関するものである。リチウム塩を30重量%まで添加すると、典型的にはこの弾性が10%~100%の可逆的引張り歪みまで低下する。 Several tensile specimens were cut from each crosslinked film and tested on a standard testing machine. Representative tensile stress-strain curves for four BPO-initiated and cross-linked ETPTA polymers are shown in Figure 5, indicating that this series of network polymers has elastic deformations of approximately 230% to 700%. . These data relate to pure polymer without additives. Addition of up to 30% by weight of lithium salt typically reduces this elasticity to a reversible tensile strain of 10% to 100%.
こうしたポリマーの薄いフィルム(1nm~10μm)は、多孔質セパレータとカソード活物質層の間に実装されることができる。 Thin films (1 nm to 10 μm) of such polymers can be implemented between the porous separator and the cathode active material layer.
実施例2:シアノ-エチルポリビニルアルコール由来の高弾性ポリマーの調製
いくつかの硫黄系及びリチウムポリスルフィド系カソード粒子をカプセル化するための高弾性ポリマーは、スクシノニトリル(SN)におけるシアノエチルポリビニルアルコール(PVA-CN)のカチオン重合及び架橋に基づいた。手順は、PVA-CNをスクシノニトリルに溶解して混合溶液を形成することから始まった。この工程の後に、開始剤を溶液に添加した。一部のリチウム種を高弾性ポリマーに組み込む目的で、LiPF6を開始剤として使用することを選択した。LiPF6及びPVA-CN/SN混合溶液の比は、重量で1/20~1/2まで変動させて、一連の前駆体溶液を形成した。その後、選択されたカソード活物質とこのグラフェンに包まれたバージョンの粒子がこれらの溶液に導入され、一連のスラリーを形成した。次いで、スラリーを個別にマイクロカプセル化手順に供して、反応塊、PVA-CN/LiPF6の包まれた層で外面全体がコーティングされたカソード活物質粒子を生成した。次いで、これらの包まれた粒子を75~100℃の温度で2~8時間加熱して、高弾性ポリマーでカプセル化された活物質粒子を得た。
Example 2: Preparation of a Highly Elastic Polymer Derived from Cyano-Ethyl Polyvinyl Alcohol A highly elastic polymer for encapsulating some sulfur-based and lithium polysulfide-based cathode particles is cyanoethyl polyvinyl alcohol (PVA) in succinonitrile (SN). -CN) based on cationic polymerization and crosslinking. The procedure began by dissolving PVA-CN in succinonitrile to form a mixed solution. After this step, an initiator was added to the solution. We chose to use LiPF6 as an initiator in order to incorporate some lithium species into the high modulus polymer. The ratio of LiPF 6 and PVA-CN/SN mixed solution was varied from 1/20 to 1/2 by weight to form a series of precursor solutions. Selected cathode active materials and particles of this graphene-encased version were then introduced into these solutions to form a series of slurries. The slurry was then individually subjected to a microencapsulation procedure to produce cathode active material particles coated on their entire outer surface with an encapsulated layer of the reactive mass, PVA-CN/LiPF 6 . These wrapped particles were then heated at a temperature of 75-100° C. for 2-8 hours to obtain active material particles encapsulated with high modulus polymer.
これとは別に、反応塊、PVA-CN/LiPF6をガラス表面にキャストして、いくつかのフィルムを形成し、これらを重合及び硬化して、異なる架橋度を有する架橋ポリマーを得た。又、引張り試験がこれらのフィルムで実施され、いくつかの試験結果を図6に要約する。この一連の架橋ポリマーは、約80%(より高い架橋度)から400%(より低い架橋度)まで弾性的に引き伸ばすことができる。このようなポリマーの薄いフィルム(1nm~10μm)は、多孔質セパレータとカソード活物質層の間に実装されることができる。 Separately, the reaction mass, PVA-CN/LiPF 6 , was cast on the glass surface to form several films, which were polymerized and cured to obtain crosslinked polymers with different degrees of crosslinking. Tensile tests were also performed on these films and some test results are summarized in FIG. This series of crosslinked polymers can be elastically stretched from about 80% (higher degree of crosslinking) to 400% (lower degree of crosslinking). A thin film (1 nm to 10 μm) of such a polymer can be implemented between the porous separator and the cathode active material layer.
実施例3:ペンタエリスリトールテトラアクリレート由来の高弾性ポリマーの調製
硫黄-炭素、硫黄-黒鉛、及び硫黄-ポリマーハイブリッド粒子のカプセル化には、モノマーとしてペンタエリスリトールテトラアクリレート(PETEA)、式3を使用した。
Example 3: Preparation of Highly Elastic Polymers Derived from Pentaerythritol Tetraacrylate Pentaerythritol tetraacrylate (PETEA),
前駆体溶液は、典型的には1.5重量%のPETEA(C17H20O8)モノマーと、1,2-ジオキソラン(DOL)/ジメトキシメタン(DME)の溶媒混合物(体積で1:1)に溶解した0.1重量%のアゾジイソブチロニトリル(AIBN、C8H12N4)開始剤からなった。異なる硫黄系のハイブリッド粒子を前駆体溶液に添加し、噴霧乾燥法によりPETEA/AIBN/溶媒前駆体溶液の薄層でカプセル化した(一部の溶媒は蒸発したが、一部は残留した)。前駆体溶液を重合し、70℃で30分硬化させて、高弾性ポリマーでカプセル化された粒子からなる微粒子を得た。 The precursor solution is typically 1.5% by weight PETEA (C 17 H 20 O 8 ) monomer and a solvent mixture of 1,2-dioxolane (DOL)/dimethoxymethane (DME) (1:1 by volume). ) of azodiisobutyronitrile (AIBN, C 8 H 12 N 4 ) initiator. Hybrid particles of different sulfur systems were added to the precursor solution and encapsulated in a thin layer of PETEA/AIBN/solvent precursor solution by spray drying method (some solvent evaporated, but some remained). The precursor solution was polymerized and cured at 70° C. for 30 minutes to obtain microparticles consisting of particles encapsulated with a highly elastic polymer.
反応塊、PETEA/AIBN(カソード粒子なし)をガラス表面にキャストしていくつかのフィルムを形成し、これらを重合及び硬化して、異なる架橋度を有する架橋ポリマーを得た。又、引張り試験をこれらのフィルムで実施し、いくつかの試験結果を図7に要約する。この一連の架橋ポリマーは、約25%(より高い架橋度)から80%(より低い架橋度)まで弾性的に引き伸ばすことができる。このようなポリマーの薄いフィルム(1nm~10μm)は、多孔質セパレータとカソード活物質層の間に実装されることができる。 The reaction mass, PETEA/AIBN (without cathode particles), was cast on the glass surface to form several films, which were polymerized and cured to obtain crosslinked polymers with different degrees of crosslinking. Tensile tests were also performed on these films and some test results are summarized in FIG. This series of crosslinked polymers can be elastically stretched from about 25% (higher degree of crosslinking) to 80% (lower degree of crosslinking). A thin film (1 nm to 10 μm) of such a polymer can be implemented between the porous separator and the cathode active material layer.
実施例4:ETPTA系高弾性半IPNポリマーの調製
ETPTA半IPNポリマーによる様々なアノード粒子のカプセル化において、ETPTA(Mw=428g/モル、3価アクリレートモノマー)、EGMEA(Mw=482g/モル、一価アクリレートオリゴマー)、及び2-ヒドロキシ-2-メチル-1-フェニル-1-プロパノン(HMPP、光開始剤)を、溶媒(プロピレンカーボネート、PC)に溶解して溶液を形成した。HMPPとETPTA/EGMEA混合物の重量比を0.2%~2%まで変動させた。異なるカプセル化層の厚さを生じさせるために、溶液中のETPTA/EGMEAの割合を1%~5%変動させた。アクリレート混合物のETPTA/EGMEA比を10/0~1/9まで変動させた。
Example 4: Preparation of ETPTA-based Highly Elastic Semi-IPN Polymers In the encapsulation of various anode particles with ETPTA semi-IPN polymers, ETPTA (Mw = 428 g/mol, trivalent acrylate monomer), EGMEA (Mw = 482 g/mol, monomer) acrylate oligomer) and 2-hydroxy-2-methyl-1-phenyl-1-propanone (HMPP, photoinitiator) were dissolved in a solvent (propylene carbonate, PC) to form a solution. The weight ratio of HMPP and ETPTA/EGMEA mixture was varied from 0.2% to 2%. The proportion of ETPTA/EGMEA in the solution was varied from 1% to 5% to produce different encapsulation layer thicknesses. The ETPTA/EGMEA ratio of the acrylate mixture was varied from 10/0 to 1/9.
エアサスペンションコーティング法を用いて、アノード活物質粒子をコア-シェル構造にカプセル化した。次いで、ETPTA/EGMEA/HMPPの反応塊を有するコア-シェル微粒子の粉末を20秒間UV照射に曝した。UV重合/架橋は、粉末試料の表面に約2000mW/cm2の放射ピーク強度を有する水銀UVランプ(100W)を使用して実施した。 The anode active material particles were encapsulated into a core-shell structure using an air suspension coating method. The powder of core-shell microparticles with a reactive mass of ETPTA/EGMEA/HMPP was then exposed to UV radiation for 20 seconds. UV polymerization/crosslinking was carried out using a mercury UV lamp (100 W) with a radiation peak intensity of approximately 2000 mW/cm 2 on the surface of the powder sample.
上記の手順により、架橋ETPTA/EGMEAポリマーシェルでカプセル化された様々なS導電性材料粒子からなるS系微粒子が生成した。又、比較の目的で、非保護S導電性材料粒子と炭素コーティングで保護された(高弾性ポリマーのカプセル化なし)導電性材料粒子をそれぞれ別のリチウム-硫黄セルにおいて調製し実装した。 The above procedure produced S-based microparticles consisting of various S-conducting material particles encapsulated with a cross-linked ETPTA/EGMEA polymer shell. Also, for comparison purposes, unprotected S conductive material particles and conductive material particles protected with a carbon coating (without high modulus polymer encapsulation) were prepared and implemented in separate lithium-sulfur cells.
実施例5:高弾性ポリマーのリチウムイオン伝導性に対するリチウムイオン伝導性添加剤の効果
アノード活物質のコア粒子を保護するためのカプセル化シェル材料を調製するために、幅広い様々なリチウムイオン伝導性添加剤を、いくつかの異なるポリマーマトリックス材料に添加した(表1)。室温でのリチウムイオン伝導率が10-6S/cm以上であれば、これらのポリマー複合材料が適切なカプセル化シェル材料であることを発見した。これらの材料では、リチウムイオンは、1μm以下の厚さを有するカプセル化シェルの内外に容易に拡散できるように見える。厚いシェル(例えば10μm)の場合、室温で10-4S/cm以上のリチウムイオン伝導度が必要となる。
Example 5: Effect of lithium ion conductive additives on the lithium ion conductivity of high modulus polymers A wide variety of lithium ion conductive additives were used to prepare encapsulation shell materials to protect the core particles of anode active materials. The agents were added to several different polymeric matrix materials (Table 1). We have discovered that these polymer composites are suitable encapsulation shell materials if their lithium ion conductivity at room temperature is greater than or equal to 10 −6 S/cm. In these materials, lithium ions appear to be able to easily diffuse into and out of the encapsulation shell with a thickness of 1 μm or less. For thick shells (eg 10 μm), a lithium ion conductivity of 10 −4 S/cm or higher is required at room temperature.
実施例6:硫黄含有粒子を形成するためのボールミル粉砕による硫黄と炭素/黒鉛粒子の混合
硫黄粒子と軟質炭素の粒子(即ち、黒鉛化可能な無秩序炭素)、天然黒鉛、メソフェーズカーボン、膨張黒鉛フレーク、カーボンナノファイバー、及びグラフェンシート(得られた複合材料のSの重量で0%~95%)を物理的にブレンドし、次いで2~24時間ボールミル粉砕して、S含有複合粒子(典型的には、ボール又はジャガイモの形状)を得た。次いで、様々なS含有量を含む1~10μmの典型的なサイズの粒子を高弾性ポリマーの薄層で包んだ。次いで、得られた微粒子の一部をカソードの層に形成した。
Example 6: Mixing of sulfur and carbon/graphite particles by ball milling to form sulfur-containing particles Sulfur particles and particles of soft carbon (i.e., graphitizable disordered carbon), natural graphite, mesophase carbon, expanded graphite flakes , carbon nanofibers, and graphene sheets (0% to 95% by weight of S in the resulting composite) are physically blended and then ball milled for 2 to 24 hours to form S-containing composite particles (typically (shaped like a ball or potato). Particles with a typical size of 1-10 μm containing various S contents were then wrapped in a thin layer of high modulus polymer. A portion of the obtained fine particles was then formed into a cathode layer.
実施例7:単純な硫黄溶融物又は液体溶液の混合
硫黄を導電性材料(例えば、炭素/黒鉛粒子)と組み合わせる1つの方法は、溶液又は溶融物混合プロセスを使用することである。高い多孔性の活性炭粒子、化学エッチングしたメソカーボンマイクロボール(活性化MCMB)、及び剥離した黒鉛ワームを、177~120℃(Sの融点、115.2℃をわずかに上回る)で10~60分間硫黄溶融物と混合して硫黄が含浸されたカーボン粒子を得た。
Example 7: Simple Sulfur Melt or Liquid Solution Mixing One way to combine sulfur with conductive materials (eg, carbon/graphite particles) is to use a solution or melt mixing process. Highly porous activated carbon particles, chemically etched mesocarbon microballs (activated MCMB), and exfoliated graphite worms were incubated at 177-120 °C (slightly above the melting point of S, 115.2 °C) for 10-60 min. Carbon particles impregnated with sulfur were obtained by mixing with sulfur melt.
実施例8:硫黄をコーティングしたグラフェンシートとその二次粒子(微粒子)の調製
この工程は、元素硫黄の蒸気を生成し、単層又は数層のグラフェンシートの表面にS蒸気を堆積させる工程を伴う。液体媒体(例えば、水における酸化グラフェン又はNMPにおけるグラフェン)に懸濁したグラフェンシートを、基材(例えば、ガラス表面)に噴霧してグラフェンシートの薄層を形成した。次いで、グラフェンのこの薄層を、昇華によって生じた物理蒸着に曝した。固体硫黄の昇華は40℃を超える温度で生じるが、典型的には、温度が100℃を超えるまで、顕著な実際に有用な昇華速度は生じない。典型的には、グラフェン表面に硫黄の薄いフィルムを堆積させるために、10~120分の堆積時間で117~160℃を使用した(硫黄の厚さは約1nm~10nmである)。次いで、硫黄の薄いフィルムが堆積されたグラフェンのこの薄層は、エアジェットミルを使用して、Sコーティングされたグラフェンシートの片に容易に砕かれた。これらのSコーティングされたグラフェンシートの一部は、高弾性ポリマーに直接包まれた。これらのシートのいくつかは、直径が約5~15μmの二次粒子に作製され(例えば、噴霧乾燥によって)、次いで高弾性ポリマーによってカプセル化された。
Example 8: Preparation of sulfur-coated graphene sheet and its secondary particles (fine particles) This process involves generating elemental sulfur vapor and depositing S vapor on the surface of a single layer or several layers of graphene sheet. Accompany. Graphene sheets suspended in a liquid medium (eg, graphene oxide in water or graphene in NMP) were sprayed onto a substrate (eg, a glass surface) to form a thin layer of graphene sheets. This thin layer of graphene was then exposed to physical vapor deposition caused by sublimation. Although sublimation of solid sulfur occurs at temperatures above 40°C, significant practically useful sublimation rates typically do not occur until temperatures exceed 100°C. Typically, 117-160° C. with a deposition time of 10-120 minutes was used to deposit a thin film of sulfur on the graphene surface (sulfur thickness is approximately 1-10 nm). This thin layer of graphene with a thin film of sulfur deposited was then easily crushed into pieces of S-coated graphene sheets using an air jet mill. Some of these S-coated graphene sheets were directly wrapped in high modulus polymer. Some of these sheets were made into secondary particles of about 5-15 μm in diameter (eg, by spray drying) and then encapsulated with a high modulus polymer.
実施例9:様々な多孔質炭素/黒鉛粒子へのSの電気化学的含浸
活性化炭素繊維、活性化カーボンナノチューブ、及び活性化人工黒鉛粒子の細孔へのSの電気化学的含浸は、これらの粒子/繊維をゆるく詰まった層に凝集させることによって実施した。この手法では、アノード、電解質、及びこうしたゆるく詰まった構造の層(カソード層として機能)が、リチウム-硫黄セルの外側の外部容器に配置される。必要とされる装置は、当技術分野でよく知られている電気めっきキシステムに類似している。
Example 9: Electrochemical impregnation of S into various porous carbon/graphite particles Electrochemical impregnation of S into the pores of activated carbon fibers, activated carbon nanotubes, and activated artificial graphite particles This was carried out by agglomerating the particles/fibers into a loosely packed layer. In this approach, an anode, an electrolyte, and a layer of such a loosely packed structure (which functions as a cathode layer) are placed in an outer container outside the lithium-sulfur cell. The equipment required is similar to electroplating systems well known in the art.
典型的な手順では、金属ポリ硫化物(MxSy)を溶媒(例えば、1:3~3:1の体積比でのDOL/DMEの混合物)に溶解して電解質溶液を生成する。任意選択で、ある量のリチウム塩を添加してもよいが、これは外部電気化学的堆積に必要ではない。この目的のために広範な溶媒を利用することができ、どのような種類の溶媒を用いることができるかについての理論上の制限はない。この所望の溶媒への金属ポリ硫化物のいくらかの可溶性があれば、任意の溶媒を使用することができる。より大きな可溶性は、より多量の硫黄を電解液から導出することができることを意味する。 In a typical procedure, a metal polysulfide (M x S y ) is dissolved in a solvent (eg, a mixture of DOL/DME in a volume ratio of 1:3 to 3:1) to form an electrolyte solution. Optionally, an amount of lithium salt may be added, but this is not necessary for external electrochemical deposition. A wide variety of solvents are available for this purpose and there is no theoretical limit as to what type of solvent can be used. Any solvent can be used provided there is some solubility of the metal polysulfide in the desired solvent. Greater solubility means that more sulfur can be extracted from the electrolyte.
次に、電解液を、乾燥した制御雰囲気下(例えば、He又は窒素ガス)のチャンバ又は反応器に注入する。アノードとして金属箔を使用し、カソードとして多孔質構造の層を使用することができ、どちらも電解液に浸漬されている。この構成は、電気化学的含浸及び堆積システムを構成する。硫黄を細孔に電気化学的に含浸させる工程は、多孔質炭素/黒鉛粒子/繊維の層重量に基づいて、1mA/g~10A/gの範囲の電流密度で行われる。 The electrolyte is then injected into a chamber or reactor under a dry, controlled atmosphere (eg, He or nitrogen gas). A metal foil can be used as the anode and a layer of porous structure as the cathode, both immersed in an electrolyte. This configuration constitutes an electrochemical impregnation and deposition system. The step of electrochemically impregnating the pores with sulfur is carried out at a current density ranging from 1 mA/g to 10 A/g, based on the layer weight of porous carbon/graphite particles/fibers.
この反応器で起こる化学反応は、以下の式で表されることができる:MxSy→MxSy-z+zS(典型的にはz=1-4)。硫黄コーティングの厚さ又は粒子径、及び含浸させるSコーティング/粒子の量は、電気化学反応電流密度、温度及び時間によって制御できる。典型的には、電流密度と反応温度が低いほど、Sの含浸がより均一になり、反応の制御がより容易になる。反応時間が長くなると、細孔内に大量のSが飽和する。更に、電気化学的方法は、含浸されたSを金属ポリスルフィド(ポリスルフィド、ポリスルフィドナトリウム、及びポリスルフィドカリウム等)に迅速に変換することができる。 The chemical reaction that takes place in this reactor can be represented by the following equation: M x S y →M x S y−z +zS (typically z=1-4). The thickness or particle size of the sulfur coating and the amount of S coating/particles impregnated can be controlled by the electrochemical reaction current density, temperature and time. Typically, the lower the current density and reaction temperature, the more uniform the S impregnation will be and the easier the reaction will be to control. As the reaction time increases, a large amount of S saturates within the pores. Additionally, electrochemical methods can rapidly convert impregnated S into metal polysulfides, such as polysulfide, sodium polysulfide, and potassium polysulfide.
実施例10:化学反応で誘発された硫黄の含浸
本明細書では、化学的含浸法を利用して、化学的に活性化されたS含浸炭素繊維を調製する。この手順は、25mlの蒸留水で満たされたフラスコに0.58gのNa2Sを加えてNa2S溶液を生成することから始めた。次いで、S元素0.72gをNa2S溶液中に懸濁させ、室温で約2時間、マグネチックスターラで撹拌した。硫黄が溶解するにつれて、溶液の色はゆっくりとオレンジ-黄色に変化した。硫黄の溶解後、ポリ硫化ナトリウム(Na2Sx)溶液が得られた(x=4~10)。
Example 10: Chemical Reaction-Induced Sulfur Impregnation Herein, a chemical impregnation method is utilized to prepare chemically activated S-impregnated carbon fibers. The procedure started by adding 0.58 g of Na 2 S to a flask filled with 25 ml of distilled water to form a Na 2 S solution. Then, 0.72 g of S element was suspended in the Na 2 S solution and stirred with a magnetic stirrer at room temperature for about 2 hours. The color of the solution slowly changed to orange-yellow as the sulfur dissolved. After dissolving the sulfur, a sodium polysulfide (Na 2 S x ) solution was obtained (x=4-10).
その後、硫黄を含浸させた炭素繊維試料を、水溶液での化学的含浸法によって調製した。最初に、180mgの膨張処理した炭素繊維を、界面活性剤を有する180mlの超純水に懸濁し、次いで50℃で5時間超音波処理して安定した炭素繊維分散液を形成した。その後、上記のように調製した分散液に、5重量%の界面活性剤セチルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)の存在下でNa2Sx溶液を添加し、調製後の炭素繊維/Na2Sx混合溶液をさらに2時間超音波処理し、次いで2mol/L HCOOH溶液100mlを30~40滴/分の割合で滴定し、2時間撹拌した。最後に、沈殿物を濾過し、アセトン及び蒸留水で数回洗浄して塩及び不純物を除去した。濾過後、沈殿物を乾燥オーブン内で50℃で48時間乾燥させた。この反応は、反応:Sx 2-+2H+→(x-1)S+H2Sで表すことができる。 Then, sulfur-impregnated carbon fiber samples were prepared by chemical impregnation method with aqueous solution. First, 180 mg of expanded carbon fibers were suspended in 180 ml of ultrapure water with surfactant and then sonicated at 50° C. for 5 hours to form a stable carbon fiber dispersion. Then, a Na 2 S x solution was added to the dispersion prepared as above in the presence of 5% by weight of the surfactant cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) to form a carbon fiber/Na 2 S x mixture after the preparation. The solution was sonicated for an additional 2 hours, then titrated with 100 ml of 2 mol/L HCOOH solution at a rate of 30-40 drops/min and stirred for 2 hours. Finally, the precipitate was filtered and washed several times with acetone and distilled water to remove salts and impurities. After filtration, the precipitate was dried in a drying oven at 50° C. for 48 hours. This reaction can be represented by the reaction: S x 2- +2H + → (x-1)S+H 2 S.
実施例11:活性化MCMB及び活性化ニードルコークスにおける酸化還元化学反応により誘導された硫黄の含浸
この化学反応に基づく堆積プロセスでは、硫黄源としてチオ硫酸ナトリウム(Na2S2O3)を、反応物として塩酸を使用した。活性化MCMB-水又は活性化ニードルコークス-水懸濁液を調製し、次いで2つの反応物(塩酸及びNa2S2O3)をこの懸濁液に注いだ。反応を25~75℃で1~3時間進行させ、Sを活性化構造の細孔に含浸させた。この反応は、以下の反応で表すことができる:2HCl+Na2S2O3→2NaCl+S↓+SO2↑+H2O
Example 11: Sulfur impregnation induced by redox chemistry in activated MCMB and activated needle coke This chemistry-based deposition process uses sodium thiosulfate (Na 2 S 2 O 3 ) as the sulfur source, Hydrochloric acid was used as the substance. An activated MCMB-water or activated needle coke-water suspension was prepared and then the two reactants (hydrochloric acid and Na 2 S 2 O 3 ) were poured into this suspension. The reaction was allowed to proceed for 1-3 hours at 25-75°C to impregnate S into the pores of the activated structure. This reaction can be represented by the following reaction: 2HCl+ Na2S2O3 →2NaCl+S↓+ SO2 ↑ + H2O
実施例12:様々な充電式リチウム電池セルのサイクル安定性
本調製されたカソード層を使用して、いくつかの一連のLi金属硫黄及びLiイオン硫黄セルを調製した。第1のシリーズは、アノード集電体として銅箔を含むLi金属セルであり、又、第2のシリーズは、導電性フィラメントのナノ構造アノード(エレクトロスピニング炭素繊維又はCNFに基づく)を含むLi金属セルである。第3のシリーズは、導電性フィラメントのナノ構造アノード(CVDを使用してSiの薄層でコーティングされたエレクトロスピニング炭素繊維に基づく)と銅箔集電体を有するLiイオンセルである。第4のシリーズは、より一般的なアノードの例として、プレリチウム化された黒鉛に基づくアノード活物質を有するLiイオンセルである。多数の充電/放電サイクルの後、ナノ構造アノードを含むセルは本質的にデンドライトを含まないことがわかった。
Example 12: Cycling Stability of Various Rechargeable Lithium Battery Cells Several series of Li metal sulfur and Li ion sulfur cells were prepared using the cathode layer prepared herein. The first series is Li metal cells containing copper foil as anode current collector, and the second series is Li metal cells containing nanostructured anodes of conductive filaments (based on electrospun carbon fibers or CNFs). It is a cell. The third series is Li-ion cells with a conductive filament nanostructured anode (based on electrospun carbon fibers coated with a thin layer of Si using CVD) and a copper foil current collector. The fourth series is Li-ion cells with an anode active material based on prelithiated graphite, as an example of a more common anode. After numerous charge/discharge cycles, cells containing nanostructured anodes were found to be essentially dendrite-free.
電荷貯蔵容量を定期的に測定しサイクル数の関数として記録した。本明細書で言及される比放電容量は、複合カソードの単位質量当たり、放電中にカソードに挿入される総電荷である(カソード活物質、導電性添加剤又は支持体、バインダー、及び任意の任意選択の添加剤を組み合わせた重量をカウントする)。比電荷容量は、複合カソードの単位質量当たりの電荷量を指す。このセクションに示される比エネルギー及び比出力値は、総セル重量に基づく。透過型電子顕微鏡(TEM)及び走査型電子顕微鏡(SEM)の両方を使用して、所望の回数の充電及び再充電サイクルを繰り返した後、選択した試料の形態学的又は微細構造の変化が認められた。 Charge storage capacity was measured periodically and recorded as a function of cycle number. The specific discharge capacity referred to herein is the total charge inserted into the cathode during discharge per unit mass of the composite cathode (cathode active material, conductive additive or support, binder, and any (Count combined weight with selected additives). Specific charge capacity refers to the amount of charge per unit mass of the composite cathode. The specific energy and specific power values shown in this section are based on total cell weight. Using both transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM), morphological or microstructural changes in selected samples are observed after the desired number of charge and recharge cycles. It was done.
実施例4で調製した3つのセルのサイクル挙動を図8に示し、これは、炭素コーティングの有無にかかわらず、S系粒子の高弾性ポリマーカプセル化が最も安定したサイクル応答をもたらすことを示している。炭素コーティングだけでは、サイクルの安定性を大幅に改善するのに役立たない。 The cycling behavior of the three cells prepared in Example 4 is shown in Figure 8, indicating that high modulus polymer encapsulation of S-based particles, with or without carbon coating, provides the most stable cycling response. There is. Carbon coating alone does not help significantly improve cycle stability.
実施例2で調製した2つのLi-Sセルのサイクル挙動を図9に示す。1つのセルは、架橋PVA-CNポリマーでカプセル化した硫黄-CNT複合ボールの微粒子を含むカソードを有し、もう1つのセルは、非保護硫黄-CNT複合ボールの微粒子を含むカソードを有する。高弾性ポリマーは、最も劇的な方法でLi-Sセルにサイクル安定性を付与した。 The cycling behavior of the two Li-S cells prepared in Example 2 is shown in FIG. One cell has a cathode containing microparticles of sulfur-CNT composite balls encapsulated in a cross-linked PVA-CN polymer, and the other cell has a cathode containing microparticles of unprotected sulfur-CNT composite balls. High modulus polymers imparted cycling stability to Li-S cells in the most dramatic way.
図10は、2つの室温Na-Sセルのサイクル挙動を示している。1つのセルは、架橋ETPTAポリマーでカプセル化された硫黄-MCMB(活性化)複合粒子の微粒子を含むカソードを有し、もう1つのセルは、非保護硫黄-MCMB(活性化)複合粒子の微粒子を含むカソードを有する。繰り返すが、高弾性ポリマーは、Na-Sセルのサイクル安定性を大幅に改善した。 Figure 10 shows the cycling behavior of two room temperature Na-S cells. One cell has a cathode containing microparticles of sulfur-MCMB (activated) composite particles encapsulated with a cross-linked ETPTA polymer, and the other cell has microparticles of unprotected sulfur-MCMB (activated) composite particles. has a cathode containing. Again, the high modulus polymer significantly improved the cycling stability of the Na-S cell.
上記のサイクル安定性データは、Li-S又はNa-Sセルに一般的に関連するシャトル効果が、本発明の高弾性ポリマーカプセル化手法によって大幅に減少又は本質的に排除されたことを明確に実証した。 The above cycling stability data clearly demonstrate that the shuttle effects commonly associated with Li-S or Na-S cells are significantly reduced or essentially eliminated by the high modulus polymer encapsulation approach of the present invention. Proven.
図11及び図12は、硫黄系カソードを包む高弾性ポリマーの存在が、このポリマーシェルが通常炭素コーティングよりも電子導電性が低く、液体電解質よりもイオン伝導性が低いという考えに基づいて、アルカリ金属-硫黄セルのエネルギー密度を損なわないことを示す。対照的に、材料科学者の予想に反し、セルのエネルギー密度は実際に改善される。 Figures 11 and 12 show that the presence of a highly modulus polymer surrounding the sulfur-based cathode is based on the idea that this polymer shell typically has less electronic conductivity than a carbon coating and less ionic conductivity than a liquid electrolyte. This shows that the energy density of the metal-sulfur cell is not compromised. In contrast, and contrary to expectations of materials scientists, the cell's energy density actually improves.
リチウム電池業界では、電池のサイクル寿命を、必要な電気化学的形成後に測定された初期容量に基づいて、電池の容量が20%減衰する充放電サイクル数として定義するのが一般的である。以下の表2に、本発明の高弾性ポリマーでカプセル化された硫黄カソード粒子対他の種類のカソード活物質を備える幅広い電池のサイクル寿命データを要約する。
In the lithium battery industry, it is common to define the cycle life of a battery as the number of charge/discharge cycles at which the battery's capacity decays by 20%, based on the initial capacity measured after the necessary electrochemical formation. Table 2 below summarizes cycle life data for a wide range of cells comprising sulfur cathode particles encapsulated with high modulus polymers of the present invention versus other types of cathode active materials.
以下の考察は、表2及び図9~12のデータから行うことができる。
1)本発明の手法により、Li-S、Na-S、及びK-S電池は、高いサイクル安定性又は長いサイクル寿命を実現できる。
2)又、本発明の手法は、並外れたエネルギー密度及び出力密度を有するアルカリ金属-硫黄セルをもたらす。高弾性ポリマーでカプセル化されたカソード活物質を備えるLi-Sセルで、605Wh/kgという高いセルレベルのエネルギー密度が達成された。又、非常に驚くべきことに、このセルは2875W/kgという高い出力密度を実現し、リチウムイオン電池の及び従来のLi-S電池の典型的な出力密度の4~5倍である。この出力密度の改善は、変換型セルであるLi-S電池が充電/放電中にいくつかの化学反応で作動するため、典型的には、非常に低い出力密度(典型的には<<500W/kg)を実現するという概念に照らすことが非常に重要である。
3)又、同様の有利な特徴は、Na-Sセル及びK-Sセルで認められる。これは、図12によって証明され、4つのアルカリ金属-硫黄セルのラゴーンプロット(セル出力密度対セルエネルギー密度)を示す。
The following discussion can be made from the data in Table 2 and FIGS. 9-12.
1) With the approach of the present invention, Li-S, Na-S, and KS batteries can achieve high cycle stability or long cycle life.
2) The inventive approach also results in alkali metal-sulfur cells with exceptional energy and power densities. A high cell-level energy density of 605 Wh/kg was achieved in a Li-S cell with a cathode active material encapsulated in a high modulus polymer. Also, very surprisingly, this cell achieves a high power density of 2875 W/kg, which is 4-5 times higher than the typical power density of lithium ion batteries and of conventional Li-S batteries. This power density improvement is due to the fact that convertible Li-S batteries operate with several chemical reactions during charging/discharging, which typically results in very low power densities (typically <<500 W /kg) is very important.
3) Similar advantageous features are also observed in Na-S and KS cells. This is evidenced by Figure 12, which shows a Ragone plot (cell power density versus cell energy density) for four alkali metal-sulfur cells.
要約すると、本発明は、優れたアルカリ金属-硫黄充電式電池の設計及び製造を可能にする革新的で多用途で驚くほど効果的なプラットフォーム材料技術を提供する。高弾性ポリマーでカプセル化された硫黄導電性材料ハイブリッド粒子の微粒子を含むカソード層を備えるアルカリ金属-硫黄セルは、高いカソード活物質利用率、高い比容量、高い比エネルギー、高い出力密度、シャトル効果がほとんどない又はまったくないこと、及び長いサイクル寿命を示す。ナノ構造カーボンフィラメントウェブがアノードに実装されて、リチウムフィルム(例えば、箔)を支持する場合、リチウムデンドライトの問題も抑制又は解消される。 In summary, the present invention provides an innovative, versatile and surprisingly effective platform material technology that enables the design and manufacture of superior alkali metal-sulfur rechargeable batteries. Alkali metal-sulfur cells with cathode layers containing microparticles of sulfur conductive material hybrid particles encapsulated in highly elastic polymers have high cathode active material utilization, high specific capacity, high specific energy, high power density, and shuttle effects. exhibits little or no oxidation and long cycle life. If a nanostructured carbon filament web is implemented on the anode to support a lithium film (eg, foil), the problem of lithium dendrites is also suppressed or eliminated.
Claims (53)
(a)アノード活物質層及び前記アノード活物質層を支持する任意選択のアノード集電体と、
(b)カソード活物質層及び前記カソード活物質層を支持する任意選択のカソード集電体と、
(c)前記アノード活物質層及び前記カソード活物質層とイオン接触する任意選択の多孔質セパレータ層を有する電解質と、
を含み、前記カソード活物質層は、硫黄-炭素ハイブリッド、導電性ポリマー-硫黄ハイブリッド、金属スルフィド、硫黄化合物、又はこれらの組み合わせから選択される硫黄含有材料の複数の微粒子を含み、前記微粒子の少なくとも1つは、添加剤又は補強材なしで測定した場合に10%~700%の回復可能な引張り歪み、室温で10-5S/cm以上のリチウムイオン伝導率、及び0.5nm~10μmの厚さを有する高弾性ポリマーの薄層によって包まれている又はカプセル化されている1つ以上の硫黄含有材料粒子からなることを特徴とするリチウム-硫黄セル、ナトリウム-硫黄セル、又はカリウム-硫黄セルから選択される充電式アルカリ金属-硫黄セル。 A rechargeable alkali metal-sulfur cell selected from a lithium-sulfur cell, a sodium-sulfur cell, or a potassium-sulfur cell, the alkali metal-sulfur cell comprising:
(a) an anode active material layer and an optional anode current collector supporting the anode active material layer;
(b) a cathode active material layer and an optional cathode current collector supporting the cathode active material layer;
(c) an electrolyte having an optional porous separator layer in ion contact with the anode active material layer and the cathode active material layer;
and the cathode active material layer includes a plurality of fine particles of a sulfur-containing material selected from a sulfur-carbon hybrid, a conductive polymer-sulfur hybrid, a metal sulfide, a sulfur compound, or a combination thereof, and at least one of the fine particles One is a recoverable tensile strain of 10% to 700% when measured without additives or reinforcements, a lithium ion conductivity of 10 −5 S/cm or more at room temperature, and a thickness of 0.5 nm to 10 μm. A lithium-sulfur, sodium-sulfur, or potassium-sulfur cell characterized in that it consists of one or more sulfur-containing material particles wrapped or encapsulated by a thin layer of highly elastic polymer having a Rechargeable alkali metal-sulfur cells selected from:
(a)シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、及びカドミウム(Cd)、並びにこれらのリチウム化バージョン、
(b)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、又はCdの他の元素との合金又は金属間化合物、並びにこれらのリチウム化バージョン、前記合金又は化合物は化学量論的又は非化学量論的である、
(c)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn、又はCdの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、及びテルル化物、並びにこれらの混合物又は複合体、並びにこれらのリチウム化バージョン、
(d)Snの塩及び水酸化物、並びにこれらのリチウム化バージョン、
(e)炭素材料及びこれらのプレリチウム化バージョン、並びに
これらの組み合わせからなる群から選択されるアノード活物質を含むことを特徴とする充電式アルカリ金属-硫黄セル。 The rechargeable alkali metal-sulfur cell of claim 1, wherein the cell is a lithium ion-sulfur cell, and the anode active material layer comprises:
(a) Silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), nickel (Ni), cobalt ( Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe), and cadmium (Cd), and lithiated versions thereof,
(b) Alloys or intermetallic compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd with other elements, and lithiated versions thereof, said alloys or compounds being stoichiometric or non-stoichiometric;
(c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, or Cd oxide, carbide, nitride, sulfide, phosphide, selenide, and tellurides, as well as mixtures or complexes thereof, and lithiated versions thereof,
(d) Sn salts and hydroxides and lithiated versions thereof;
(e) A rechargeable alkali metal-sulfur cell characterized in that it comprises an anode active material selected from the group consisting of carbon materials and prelithiated versions thereof, and combinations thereof.
(a)ナトリウム又はカリウムをドープしたシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、カドミウム(Cd)、及びこれらの混合物、
(b)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、及びこれらの混合物のナトリウム又はカリウム含有合金又は金属間化合物、
(c)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd、及びこれらの混合物又は複合体のナトリウム又はカリウム含有酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、テルル化物、又はアンチモン化物、
(d)ナトリウム又はカリウム塩、
(e)硬質炭素又は軟質炭素粒子、及びこれらのプレナトリウム化バージョン、並びに
(f)これらの組み合わせ
からなる群から選択されるアノード活物質を含むことを特徴とする充電式アルカリ金属-硫黄セル。 The rechargeable alkali metal-sulfur cell according to claim 1, wherein the cell is a sodium ion-sulfur cell or a potassium ion-sulfur cell, and the anode active material layer comprises:
(a) Silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium doped with sodium or potassium (Ti), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), cadmium (Cd), and mixtures thereof,
(b) sodium- or potassium-containing alloys or intermetallic compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures thereof;
(c) Sodium- or potassium-containing oxides, carbides, and nitrides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures or complexes thereof. , sulfide, phosphide, selenide, telluride, or antimonide,
(d) sodium or potassium salts;
A rechargeable alkali metal-sulfur cell characterized in that it comprises an anode active material selected from the group consisting of (e) hard carbon or soft carbon particles, and presodiumized versions thereof, and (f) combinations thereof.
(a)カソード及び前記カソードを支持する任意選択のカソード集電体を提供する工程と、
(b)Li、Na、K、又はこれらの組み合わせから選択されるアルカリ金属アノード及び前記アノードを支持する任意選択のアノード集電体を提供する工程と、
(c)前記アノードと前記カソードに接触する電解質と、前記アノードと前記カソードを電気的に分離する任意選択のセパレータを提供する工程と、
を備え、前記カソードは、硫黄含有材料の複数の微粒子を含み、前記微粒子の少なくとも1つは、添加剤又は補強材なしで測定した場合に10%以上の回復可能な引張り歪み、室温で10-5S/cm以上のリチウムイオン伝導率、及び0.5nm~10μmの厚さを有する高弾性ポリマーの薄層によって包まれている又はカプセル化されている1つ以上の硫黄含有材料粒子からなることを特徴とする充電式アルカリ金属-硫黄セルを製造する方法。 A method of manufacturing a rechargeable alkali metal-sulfur cell according to claim 1, the method comprising:
(a) providing a cathode and an optional cathode current collector supporting the cathode;
(b) providing an alkali metal anode selected from Li, Na, K, or combinations thereof and an optional anode current collector supporting said anode;
(c) providing an electrolyte in contact with the anode and the cathode, and an optional separator electrically separating the anode and the cathode;
, the cathode comprising a plurality of microparticles of a sulfur-containing material, at least one of the microparticles having a recoverable tensile strain of 10% or more when measured without additives or reinforcements, 10 - at room temperature. consisting of one or more sulfur-containing material particles wrapped or encapsulated by a thin layer of highly elastic polymer with a lithium ion conductivity of 5 S/cm or more and a thickness of 0.5 nm to 10 μm A method of manufacturing a rechargeable alkali metal-sulfur cell characterized by:
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